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Farooq:
"Characterization of Laser Scattering Detection System for Microfluidic 3D Cell Cultures";
Betreuer/in(nen): P. Ertl; E164/E163, 2016; Abschlussprüfung: 13.12.2016.

Obwohl Lab-on-a-Chip (LoC) die Durchführung von Experimenten im kleinen Maßstab mit miniaturisierten Geräten ermöglicht, ist die Konstruktion, Herstellung und Charakterisierung, der einzelne Bestandteile, äußerst schwierig. Die Fähigkeit, dynamisches zelluläres Verhalten über längere Zeiträume (z. B. Tage oder Wochen) zu detektieren, ist entscheidend für die Anwendung von Organ-on-a-Chip. Darüber hinaus, ist die Präzision bei der Herstellung kleiner Volumina im Mikroliterbereich und die Einstellung der Empfindlichkeit und Spezifität des Detektors für eine genaue Auslesung wesentlich. Die Integration optischer Detektionstechniken in mikrofluidische Vorrichtungen scheint im Vergleich zu anderen mechanischen und elektrochemischen Verfahren robuster und empfindlicher zu sein. Unter den optischen Nachweisverfahren ist die Lichtstreuung eine der robustesten Techniken, die nicht-invasiv und kontinuierlich die Zellmorphologie, die Proliferation und die Lebensfähigkeit bestimmen kann. Die Lichtstreusignale hängen von verschiedenen Parametern ab, einschließlich Größe, Anzahl, Konsistenz und Form der Zellen, die zwischen der Quelle und dem Detektor in einem mikrofluidischen Chip liegen. Obwohl Lichtstreuung, in den letzten Jahren, erfolgreich eingesetzt wurde, um eine Vielzahl von zellulären Reaktionen von zweidimensionalen mikrofluidischen Zellkultursystemen zu untersuchen, ist ihre Anwendung für dreidimensionale (3D) Zellkultursysteme noch im Anfangsstadium. Das 3D-Zellkultursystem hat den Vorteil, dass es eine geeignete Mikroumgebung für das Wachstum von Zellen nachahmt, die sich gewöhnlich im Gewebe befinden, dass von einer extrazellulären Matrix umgeben ist. Ihre morphologische und physiologische Reifung zu spezialisierte Zelltypen erfolgt auf natürliche Weise im Vergleich zu Zellen, die in 2D-Kulturen kultiviert werden. Daher war das Ziel der Studie, ein vor kurzem entwickeltes Laserscattering-System (LS) für die mikrofluidische 3D-Zellkulturanalyse auf Hydrogel-basierter Basis zu untersuchen, um seine Stärken, seine Grenzen und die, mit der Interpretation der Daten, verbundenen Risikofaktoren zu verstehen. In der vorliegenden Arbeit wurde das LS-System mit der Quellenwellenlänge von 488nm durch die Verwendung von Polystyrol Partikeln mit verschiedenen Größen in PBS und in 3D-Hydrogelen charakterisiert. Darüber hinaus wurde das LS System getestet, indem mäuseembryonale Fibroblasten und Jurkat-Zellen in den Hydrogelen für die Charakterisierungsanalyse eingesät wurden. Die Ergebnisse der Studie zeigten die Umsetzbarkeit des LS-Systems als zuverlässiges Nachweisverfahren für Organ-on-a-Chip-Anwendungen machbar ist.

Although lab-on-a-chip (LoC) enables the performance of experiments on a small scale using miniaturized devices, its designing, fabrication and characterisation is extremely challenging. The ability to detect dynamic cellular behaviour over long periods of time (e.g days or weeks) is crucial in organ-on-a-chip applications. In addition, precision in preparing small volumes in the microliter range and adjusting the sensitivity and specificity of the detector is essential for an accurate read out. The integration of optical detection techniques in microfluidic devices appear to be more robust and sensitive compared to other mechanical and electrochemical methods. Among optical detection methods, light scattering is one the most robust techniques capable of non-invasively and continuously determining cell morphology, proliferation and viability. The light scattering signals depend on various parameters including size, number, consistency and shape of the cells that lie between the source and the detector in a microfluidic chip. Although light scattering has successfully been employed to study a variety of cellular responses of two-dimensional microfluidic cell cultures systems over recent years, its applications for three-dimensional (3D) cell cultures systems is still in its infancy. 3D cell cultures system has the benefit that it mimics a suitable microenvironment for the growth of cells which usually reside in tissue surrounded by extracellular matrix. Their maturation into specialized cell types occurs in a more natural manner morphologically and physiologically compared to cells that are cultured in 2D cultures. Consequently, the aim of the study was to evaluate a recently developed laser scattering (LS) system for hydrogel-based microfluidic 3D cell culture analysis to understand its strengths, its limitations and the risk factors associated with the interpretation of the data. In the presented work, the LS system with the source wavelength of 488nm is characterized by utilizing polystyrene particles of various sizes in PBS and in 3D-hydrogels. Furthermore, LS is also evaluated by seeding mouse embryonic fibroblasts and Jurkat cells in the hydrogels for the characterization analysis. Results of the study revealed the feasibility of the LS system as reliable detection method for organ-on-a-chip applications

Lichtstreuung, Mikropartikel, Nanopartikel, 3D-Hydrogele, Biosensor