Authors: Hardelauf, Heike
Title: Development and characterization of in vitro microarray technologies for cell biology
Other Titles: Die Entwicklung und Charakterisierung von in vitro Mikroarray‐Verfahren für die Zellbiologie
Language (ISO): en
Abstract: Die moderne Zellbiologie hat großes Interesse an Hochdurchsatz-Techniken, die reproduzierbare und quantitative Ergebnisse liefern. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung von Mikroarray-Technologien für Anwendungen in der Krebs-Therapie und der Neurotoxikologie. Die hier verwendeten Techniken und Werkzeuge basieren auf Mikrodruckverfahren („micropatterning“) für Zellen und sind Biologen weltweit zugänglich. PDMS (Polydimethylsiloxan) „microcontact printing“ (µCP) wurde für die parallele Massenproduktion von hochgradig homogenen 3D Tumor Sphäroiden verwendet. Die verschiedenen metabolischen Gradienten ebenso wie die auftretende Chemosensitivität machen dieses bio-analytische Modell zu einem verlässlichen Instrument für die in situ oder ex situ Analyse von potentiellen Krebsmitteln. Das Mikrodruckverfahren wurde weiterentwickelt, um ein räumlich angeordnetes analytisches System für neurotoxische Hochdurchsatz-Screenings mit standardisierten neuronalen Auswuchslängen zu entwickeln. Dies beinhaltete die Entwicklung einer neuen Methode, die Doppelmembranschicht Technik, welche mittels Plasma Strukturen in Oberflächen brennt. Die Doppelmembranschicht Technik ist einfach in der Anwendung, schnell, günstig, reproduzierbar und eine sehr effektive Methode um Neuronen strukturiert anzuordnen. Das „Network Formation Assay“(NFA) benutzt Verbindungen zwischen Neuronen als präzisen und sensitiven analytischen Endpunkt, um zwischen Zytotoxizität und Neurotoxizität zu unterscheiden. Zudem wurde das NFA an die Bedürfnisse und Wachstumsbedingungen von kortikalen Primärzellen (Goldstandard) und neuronalen Stammzellen angepasst. Das NFA wurden mittels µCP auf einer zellabweisenden Polyethylenglykol Oberfläche hergestellt. Diese Doktorarbeit demonstriert die Entwicklung von Mikroarray Technologien für die Umsetzung von räumlich angeordneten und standardisierten, hervorragend reproduzierbaren und für Hochdurchsatzverfahren geeigneten Zellassays, welche Probleme und Fragestellungen in der Zellbiologie angehen. Diese Assays wurden unter den Gesichtspunkten entwickelt, zuverlässig, günstig, einfach in der Handhabung und mit minimalem Wissen und Equipment durchführbar zu sein, damit möglichst viele Wissenschaftler die Systeme übernehmen und anwenden können.
Modern cell biology is interested in the use of reproducible, quantitative and high-throughput analytical techniques. The aim of this thesis is the development and characterization of microarray technologies for anti-cancer therapy and neurotoxicity testing applications. The techniques and tools are based on cell micropatterning technologies and are accessible to biologists worldwide. PDMS (Polydimethylsiloxane) microcontact printing (µCP) was used for the reliable parallel mass production of highly uniform 3D tumour spheroids. The different metabolic gradients make this bio-analytical model a reliable tool for the in situ or ex situ analysis of potential anti-cancer treatments as well as the physical and biological aspects that affect chemosensitivity. The micropatterned research is extended to a spatially-ordered analytical display for high-throughput neurotoxicity screening with standardized neurite outgrowth length. This involved the development of a novel bilayer membrane plasma stencilling method. Bilayer plasma stencilling is a simple, rapid, inexpensive, reproducible and effective method to pattern neurons. The network formation assay (NFA) uses interconnectivity as a precise and sensitive analytical end-point to read-out and distinguish between cytotoxicity and neurotoxicity. In addition, the NFA was adapted to the needs of the gold standard primary cortical neurons and neuronal precursor cells using µCP on a cell repellent PLL-g-PEG background. Taken together, this thesis demonstrates the development of microarray technologies for the realization of spatially standardized, highly reproducible and highthroughput cell assays to address modern challenges in cell biology. The assays were developed with the aim to be reliable, inexpensive, easy and adoptable for scientists with a minimum of equipment and expert knowledge.
Subject Headings: In vitro assays
Lab-on-a-chip
Microarray technologies
REACH
URI: http://hdl.handle.net/2003/31164
http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-5695
Issue Date: 2013-11-19
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