Biomimetic coatings on technical substrates for cell culture

Svetlova, Anastasia; Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Die Fähigkeit, lebende Zellen mit nicht-invasiven Methoden wie Zellkultur zu untersuchen, war eine Grundlage für moderne biologische und biotechnologische Fortschritte. Als entdeckt wurde, dass eine Zellfunktion nicht von ihrer Umgebung getrennt werden kann, begann die Suche nach lebendem Gewebe unter kontrollierten Laborbedingungen. Die Forscherversuchen ständig, die Methodik zu verbessern, um Zellen in Umgebungen zu untersuchen, die natürlichen Gewebeumgebungen am ähnlichsten sind. Die Schaffung komplexer Umgebungen erfordert eine genaue Kontrolle der Eigenschaften des darunterliegenden Substrats. Das Projekt umfasste die Entwicklung der Beschichtung, die eine natürliche Zellmembrannachahmt und eine geeignete Plattform für die Zellkultur darstellt, sowie die Anpassung des elektrischen Messsystems. Als Basis für die biomimetischen Beschichtungen wurden festkörpergestützte Lipiddoppelschichten (SLBs) und als Messsystem Graphen-Feldeffekt-transistoren (GFETs) verwendet. Die größte Herausforderung des ersten Teils bestand darin, die Hydrophobizität der Graphenoberfläche zu überwinden, da auf dem unberührten Graphen keine Lipiddoppel-schichten gebildet werden können. Eine elektrochemische Oxidation wurde getestet, um Hzdrophobizität zu senhen. Es zeigte sich jedoch, dass chemisch aufgedampftes (CVD)Graphen mit diesem Verfahren nicht kompatibel ist, da der Prozess anstelle der einheitlichen Funktionalisierung die Schichtintegrität zerstörte. Neben dem Thema eines Zusammenhangszwischen elektrochemischen Eigenschaften und Oberflächenqualität wurden detaillierte Untersuchungen zur Entstehung der Leckströme von Graphen-Elektrolyt-Transistoren durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der daraus resultierende Wert verwendet werden kann, um die Oberflächeneigenschaften von Graphen in situ zu bewerten und zu überwachen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Veröffentlichungen zusammengefasst [1, 2].Zur Herstellung biomimetischer Beschichtungen wurden Extrakte aus Zellmembranen von HEK293-Zellen durch das chemische Vesikulationsverfahren hergestellt. Die Ähnlichkeit des strukturellen Rückgrats von Zellvesikeln und SLBs aus künstlichen Lipidmischungen ermöglicht es ihnen, zu Verbundschichten zu verschmelzen. Durch die Anreiderung mit Zellmembranmolekülen wie Glycolipiden und Proteinen wurde die Möglichkeit einer Zell-Zell-Wechselwirkung geschaffen. Der chemische Vesikulationsprozess wurde mit der Durchflusszytometrie und den Fluoreszenzbildgebungsverfahren untersucht. Die Fusion der Schichten wurde mit der Quarzkristall-Mikrowaage in einem Mikrofluidsystem überprüft. Zwei Zellkulturmodelle wurden verwendet, um ihre Wechselwirkungen mit den biomimetischen Schichten zu charakterisieren: HL-1, eine kardiomyozytenähnliche Zelllinie und primäre kortikale Neuronen aus E18 Embryonen der Ratte. Diese Zellen haben deutlich unterschiedliche Eigenschaften und Anforderungen an ihre Umgebung, so dass jeweils unterschiedliche Charakterisierungswege ausgewählt wurden. Für HL-1-Zellen, die im Wesentlichen Muskelzellen sind, wurde ihr Zytoskelett überwacht. Die Fähigkeit, ein entwickeltes Zytoskelett zu bilden, das die Zellform und Kontraktionenunterstützt, hängt von der Stärke ihrer Wechselwirkung mit dem Substrat und seiner Weichheit ab. Mit der Modifizierung der biochemischen Schichten durch Hinzufügen unterschiedlich Mengen an Zellextrakten gelang es, die optimalen Bedingungen für die Zelladhäsion einzustellen. Diese Ergebnisse wurden in [3] veröffentlicht. Für neuronale Zellen in vitro ist die Entwicklung der Zellpolarität die Haupteigenschaft. Die Dynamik der Neuritenverlängerung auf verschiedenen Beschichtungen wurde analysiert und es konnte gezeigt werden, dass Wechselwirkungen von Neuronen mit hochflüssigen SLB-basierten Beschichtungen in den ersten Stunden der Entwicklung einzigartige Merkmale aufweisen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Physik [130000]
• Lehrstuhl für Experimentalphysik IV B (FZ Jülich) [134210]
• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Bioprozess-Analytik (FZ Jülich) [163820]