Looking into living cell systems: Planar waveguide NMR detector hyphenated with a microfluidic device for the in vitro metabolomics of tumor spheroids

Abstract

Untersuchungen des komplexen Metabolismus von Zellen sowie der dazugehörigen Signalwege haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Aber der Mangel an ausgereiften analytischen Geräten, die für Metabolismus-Studien an lebenden Zellen nötig sind, stellt immer noch eine Herausforderung dar, die es zu bewältigen gilt. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger Mikrostreifenleiter-Detektor für die kernmagnetische Resonanz (NMR) mit einer integrierten Heizvorrichtung entwickelt und mit einem Mikrofluidikchip gekoppelt, der unter anderem als Probenhalter fungiert. Mit dieser neuen Methode wurden 3D in vitro Zellkulturmodelle (Sphäroide) analysiert, weil diese hervorragend die Lücke zwischen 2D Zellkulturmodellen und Tiermodellen überbrücken. Erstmalig wurde ein Tumorsphäroid, mit 500 μm Durchmesser und ca. 9000 Zellen, nichtinvasiv für 24 Stunden analysiert. Der dynamische Prozess der Produktion und des Abbaus von 23 intra- und extrazellulären Metaboliten konnte verfolgt werden. Bemerkenswert hohe Konzentrationen an Laktat und Alanin wurden beobachtet, was auf eine Verschiebung vom oxidativen zum glykolytischen Metabolismus hinweist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich diese methodische Entwicklung als erfolgreiches analytisches Verfahren erwiesen hat, das zur Aufklärung von Zellfunktionen und ihrer zugrunde liegenden biochemischen Reaktionswege dient. Des Weiteren erlaubt die planare Geometrie des Mikrostreifenleiter NMR Detektors die Kopplung mit der vielseitigen Lab-on-a-chip (LOC) Technologie. Mit dieser Entwicklung eröffnen sich neue Perspektiven für Metabolismus-Studien an lebenden Zellen, die neue Anwendungsgebiete in der Biotechnologie und den Lebenswissenschaften eröffnen. Ziel ist es, das Gerät als diagnostisches Werkzeug zur Untersuchung von Zellantworten auf äußere Stressfaktoren in toxikologischen oder pharmazeutischen Studien zu verwenden, um somit später Tierexperimente zu ersetzen.

The complex cell metabolism and its link to signaling pathways have received huge interest within the last years. But the lack of advanced analytical tools for the investigation of living cell metabolism is still a challenge to be faced. Therefore, we designed and fabricated a novel miniaturized microslot nuclear magnetic resonance (NMR) detector with on-board heater integrated with a microfluidic device as NMR sample holder. With this new set-up we have analyzed 3D in vitro cell culture models (spheroids) because they have turned out to be authentic model systems which successfully bridge the gap between 2D cell cultures and live tissue or animal models. For the first time, a tumor spheroid of 500 μm diameter consisting of approximately 9000 cells has been studied non-invasively and online for 24 hours. The dynamic process of production and degradation of 23 intra- and extracellular metabolites were monitored. Remarkably high concentrations of lactate and alanine were observed being an indicator for a shift from oxidative to glycolytic metabolism. In summary, this methodical development has proven to be a successful analytical tool for the elucidation of cellular functions and their corresponding biochemical pathways. Additionally, the planar geometry of the microslot NMR detector allows the hyphenation with versatile lab-on-a chip (LOC) technology. This opens a new window for metabolomics studies on living cells and can be implemented into new application fields in biotechnology and life sciences. The aim is to use the device as diagnostic tool for the investigation of cell responses to external stress factors as in toxicological or pharmaceutical studies in order to replace tests on animal models.