Studies on the use of electrochemical methods in determining the viability of human cells in three-dimensional cell cultures in Lab-on-a-chip microdevices

Katarzyna Stępień

Abstract

Nowadays, one of the main interest of modern science is to find more efficient and effective way of diagnosis and curing diseases. It leads to the idea of, so called, personalized medicine, which is based on molecular biology and genetics. This kind of therapy ensures creating the individual genetic profile of each patient and thanks to that finding the best way of curing disease, from which he or she suffers. Up to this time, the most popular models used in those researches were animals (mice, rats, rabbits, etc.), which seems to be unethical. This is the reason why it is craved for the new ways for those tests. In vitro cell cultures may be the best alternative solution. There are many techniques of culture human cells, such as culture in two-dimensional monolayer or three-dimensional aggregates. Especially desirable is creating three-dimensional multicellular spheroids (MCS), because of their high similarity to the in vivo tissues, as well as tumours. Connecting cell cultures with more and more popular idea of miniaturization of scientific research can give the additional economic profits. Moreover, using Lab-on-a-Chip devices helps to keep stable environment of the culture, similar to the in vivo conditions. Connection of microfluidic devices and semi-permeable membranes ensures to carry on the experiments which need high precise protocols. On the other hand, using electrochemical techniques as the detection method, makes possible on-line monitoring of cellular viability, without toxic fluorescent dyes. In theoretical part of the master thesis the most popular techniques of human cell culture and cultures in Lab-on-a-Chip devices, especially three-dimensional cultures, were presented. High attention was put on the idea of monitoring of cellular viability with electrochemical techniques, as well as using of semi-permeable membranes connecting with microfluidic devices. Experimental part of the master thesis was focused on the possibility of continuous monitoring of in vitro cell culture growth via the measuring the cell medium’s redox potential. Experiment was carried on in macroscale (on Petri dish) as well as in self-constructed Lab-on-a-Chip devices integrated with semi-permeable membranes. Thanks to the geometry of the devices it is possible to culture cells as the three-dimensional spheroids. Created device ensured investigation of cells’ responses to anticancer drugs, which could give the information about minimal therapeutic dose of those compounds.
Diploma typeMaster of Science
Author Katarzyna Stępień
Katarzyna Stępień,,
-
Title in PolishBadania nad zastosowaniem metod elektrochemicznych w określaniu żywotności komórek ludzkich w hodowlach przestrzennych w mikrosystemach Lab-on-a-chip
Supervisor Zbigniew Brzózka ZMB
Zbigniew Brzózka,,
- Department Of Microbioanalytics
Certifying unitFaculty of Chemistry (FC)
Affiliation unitDepartment Of Microbioanalytics (DM)
Study subject / specializationMikrobioanalityka
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date09-09-2013
Issue date (year)2013
Reviewers Tomasz Kobiela ZTiBSL
Tomasz Kobiela,,
- Department Of Drug Technology And Biotechnology
Keywords in Polish-
Keywords in English-
Abstract in PolishJednym z głównych obszarów zainteresowania współczesnej nauki są działania mające na celu opracowanie bardziej efektywnych metod diagnostyki oraz leczenia chorób. Ich ideą jest stworzenie tzw. terapii spersonalizowanej, umożliwiającej, przy zastosowaniu nowoczesnych narzędzi biologii molekularnej i genetyki, określenie indywidualnych cech pacjenta i dobór dla niego odpowiedniego rodzaju terapii, dawki leków, itp. Skutkowałoby to wzrostem efektywności takiego leczenia. Rodzi to potrzebę tworzenia modeli, na których terapia ta mogłaby być testowana. Jednocześnie, ze względów natury etycznej, modele te powinny uwzględniać konieczność redukcji ilości doświadczeń przeprowadzanych na zwierzętach, by nie przyczyniać się do cierpienia istot żywych. Rozwiązaniem tego problemu wydają się być hodowle komórek ludzkich w warunkach in vitro. Kultury ludzkich linii komórkowych mogą być prowadzone z wykorzystaniem różnych technik hodowlanych. Dobrze poznane i powszechnie stosowane w wielu laboratoriach są hodowle komórek w zawiesinie lub w monowarstwie. Jednak najlepsze odwzorowanie warunków panujących w środowisku in vivo, stanowią kultury komórkowe rosnące w postaci trójwymiarowych agregatów, na przykład sferoidów. Kultury takie w lepszym stopniu odzwierciedlają złożone relacje zachodzące w tkankach i narządach organizmu ludzkiego. Połączenie hodowli komórkowych w warunkach in vitro z coraz popularniejszą ideą miniaturyzacji badań naukowych przyniosłoby dodatkowe korzyści natury ekonomicznej. Co więcej zastosowanie układów typu Lab-on-a-Chip pozwala na bardziej precyzyjną kontrolę warunków prowadzenia hodowli, zbliżając je coraz bardziej do naturalnych warunków wzrostu komórek. Z kolei zastosowanie membran półprzepuszczalnych zintegrowanych z chipami mikroprzepływowymi pozwala na przeprowadzanie badań wymagających większej precyzji. Poprzez wykorzystanie technik elektrochemicznych, możliwym jest ciągłe oraz bardziej obiektywne monitorowanie wzrostu komórek, bez konieczności stosowania dodatkowych odczynników, toksycznych dla materiału biologicznego. W części literaturowej pracy przedstawiono najczęściej stosowane techniki hodowli ludzkich linii komórkowych oraz hodowli z wykorzystaniem układów mikroprzepływowych, ze szczególnym uwzględnieniem przestrzennych kultur komórkowych. Szczególny nacisk położono na możliwość badania wzrostu materiału biologicznego przy użyciu technik elektrochemicznych. Skupiono się także nad zagadnieniem zastosowania membran półprzepuszczalnych zintegrowanych z urządzeniami typu Lab-on-a-Chip. W części doświadczalnej pracy skupiono się nad możliwością zastosowania pomiarów zmian potencjału redoks medium hodowlanego w celu ciągłego monitorowania wzrostu komórek hodowanych w warunkach in vitro. Wykonanie eksperymentu obejmowało doświadczenia w makroskali (na szalkach Petriego) oraz we własnoręcznie zaprojektowanych układach mikroprzepływowych, zawierających w swej strukturze membranę półprzepuszczalną. Geometria układu pozwalała na hodowlę komórek w postaci trójwymiarowych sferoidów. Zastosowanie proponowanego urządzenia umożliwia ciągłe monitorowanie wzrostu komórek, bez konieczności przerywania prowadzonej hodowli. Pozwala to na badanie reakcji komórek na działanie leków przeciwnowotworowych, dozowanych w precyzyjnych dawkach, a co za tym idzie dobór minimalnej skutecznej dawki terapeutycznej.
File
Katarzyna Stępień - Praca magisterska.pdf (file archived - login or check accessibility on faculty) Katarzyna Stępień - Praca magisterska.pdf 2.18 MB


Back