Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Kießling, Heiko
Mehner, Jan (Prof. Dr.-Ing.); Fricker, Gerd (Prof. Dr. nat.)
Mikrofluidisches in-vitro Modell der Blut-Hirn-Schranke mit aktiver Zellassemblierung mittels Dielektrophorese
Microfluidic in-vitro model of the blood-brain barrier with active cell assembly using dielectrophoresis
Kurzfassung in deutsch
Neue aussichtsreiche Pharmazeutika scheitern regelmäßig in späten Entwicklungsphasen1 und stehen somit nicht als wertvolle Wirkstoffe zur Verfügung. Ein Grund hierfür ist die komplexe Pharmakinetik und der Mangel an geeigneten in-vitro Modellen.Daher befasst sich diese Dissertation mit der Entwicklung neuartiger in-vitro Membranmodelle am Beispiel der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Zu diesem Zweck wird der aktuelle Stand der Technik vorgestellt und anschließend das Konzept eines Mikrofluidikchips, in welchem mittels Dielektrophorese an eine zuvor erstellte Polyamidmembran CaCo-2-Zellen assembliert wurden. Die Auslegung und Optimierung des Chip-Designs, die Entwicklung der in-situ Membran sowie die Ermittlung der Randbedingungen sind wesentliche Bestandteil dieser Arbeit. Es konnte mittels FEM-Simulationen und Assemblierungsversuchen ein Modell erzeugt werden, mit dem ein Chipdesign entwickelt werden konnte, dass zum einen ein günstigeres Verhältnis von Zellflächen- und Abluminalen Volumen aufweist und zum anderen möglichst wenig Zellen für den Aufbau benötigt. Dieses System bietet somit ein hohes Potenzial für die Herstellung verbesserter in-vitro Modelle. Jedoch konnte auch durch die Charakterisierung mit Rhodamin, Fluorescein und FITC-Dextran aufgezeigt werden, dass dieser Vorteil durch spezifische und unspezifische Bindungen an der größeren Oberfläche z.T. reduziert wird, abhängig vom verwendeten Chipmaterial und untersuchten Wirkstoff.
Als neuartig kann die in-situ Herstellung einer vertikalen Polyamidmembran in einem Polymerchip bezeichnet werden, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Für diese wurden die Parameter zur optimale Collagenbeschichtung für die Zelladhäsion ermittelt, sowie der Einfluss auf die Zellvitalität untersucht. Des Weiteren wurde das Medium zur Dielektrophorese und zur Kultivierung der Zellen ohne CO2-Begasung optimiert.
Kurzfassung in englisch
New promising pharmaceuticals regularly fail at late stages of development1 and thus do not become available as valuable active substances. Two of the main reasons for such failures are the complex pharmacokinetics and the lack of adequate in-vitro models.Therefore, this dissertation focuses on the development of novel in-vitro membrane models at the example of the blood-brain-barrier (BBB). It starts by presenting current investigations and the state-of-the-art technology and continues with the concept for a microfluidic chip in which CaCo-2 cells were assembled with dielectrophoresis on an in-situ membrane. The essential part of this work was to design and optimize this microfluidic chip, to develop an in-situ membrane to catch the assembled cells and to investigate the required boundary conditions. FEM simulations and assembling experiments conducted to the creation of a model to develop a chip design with a better ratio between cell area and abluminal volume, as well a low number of cells needed for the creation of this model. Such system might have a high potential to establish more sensitive in-vitro models than the current Transwell model. However, it was also demonstrated that this advantage is reduced by specific and nonspecific binding on the larger surface, depending on the chip material and the investigated test substance, shown during the chip characterization by using Rhodamine, Fluorescein and FITC-Dextran.
Furthermore, the creation of a vertical polyamide in-situ membrane in a polymer chip like in this work, can be described as novel. To assemble cells on this supporting membrane, a protocol for a collagen coating as well for the dielectrophoresis medium were developed. Also, a modified culture medium was investigated, to allow the cultivation on standard atmospheric conditions.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Mikrosysteme und Medizintechnik | |
| Fakultät: | Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Mehner, Jan (Prof. Dr.-Ing.) | |
| ISBN/ISSN: | 978-3-96100-146-0 | |
| URL/URN: | https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-765126 | |
| Quelle: | Chemnitz : Universitätsverlag Chemnitz, 2021. - 208 S. | |
| SWD-Schlagwörter: | Mikrofluidik , Blut-Hirn-Schranke , Dielektrophorese , In vitro , Zellkultur , Simulation | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | in-vitro Modell , Mikroorgan | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | micro organ , blood-brain-barrier , in-vitro model , dielectrophoresis , CaCo-2 , BBB , BHS | |
| DDC-Sachgruppe: | Medizin und Gesundheit, Ingenieurwissenschaften | |
| Sprache: | deutsch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 26.02.2021 | |
| OA-Lizenz | CC BY-SA 4.0 |
