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

摘要

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.