Wellplatte mit Sensoren und elektronischer Auswertung
Aus dem Verhalten bestimmter biologischer Zellkulturen auf verschiedene Umwelteinflüsse und Substanzen kann auf die Wirkung bei anderen Anwendungen geschlossen werden. Eine wichtige Aufgabe ist hierbei die Bestimmung der Biokompatibilität von Werk- und Wirkstoffen zur Bestimmung der Gewebeverträglichkeit von Produkten, die im direkten Kontakt zur Körperoberfläche stehen. Die biologische Beurteilung erfolgt mittels DIN EN ISO 10993-5, einer Norm die für alle Medizinprodukte gültig ist.
Für eine quantitative Bestimmung der Anzahl lebender Zellen in einem Nährmedium dienen vor allem histologische Methoden. Bei diesen Verfahren werden die Zellpopulationen mit bestimmten zytochemischen Farbstoffen behandelt. Bekannt ist der MTT-Test, ein sogenannter Zytotoxizität-Test zum Nachweis der Zellvitalität.
Die Zellen werden in vitro mit dem namensgebenden Farbstoff, einem gelben Tetrazoliumsalz, behandelt, um ihre Lebensfähigkeit beziehungsweise den Anteil lebender Zellen im Vergleich zu einer Kontrollprobe von Zellen zu messen. Allerdings kann die Bewertung der Biokompatibilität erst nach dem Beenden einer Versuchsreihe erfolgen. Farbunterschiede erleichtern eine bessere Differenzierung lebender und toter Zellen bei den anschließenden Auszählungen.
Das CiS hat ein Verfahren entwickelt, welches die Bewertung der Biokompatibilität schon während der Versuchsdurchführung erlaubt. Das Messgerät enthält einen Sensor mit einer Auswerteelektronik und erfasst die Daten mittels Impedanzspektroskopie. Der elektrische Widerstand ist dabei proportional der Anzahl der Zellen auf der Oberfläche des Nährmediums. Die elektrische Messung bietet gegenüber den optischen Methoden viele Vorteile:
- einfache Parallelisierung
- kein Einsatz von Farbstoffen
- und eine zeitaufgelöste Beobachtung über die gesamte Messdauer. Die Methode mittels Einfärben von Zellen ermöglicht im Gegensatz dazu nur Momentaufnahmen zum Zeitpunkt der Einfärbung)
Die Evaluierung des Bio-Instruments wurde an den Bindegewebszellen L929 durchgeführt. In das Nährmedium werden verschiedenen Konzentrationen eines biokompatiblen Extraktes gegeben und die Zellvitalität bzw. die potenzielle zelltoxische Wirkung bestimmt im Vergleich zu einer Kontrollkolonie.
Der Extrakt ist aus dem Medium, welches aus Biokompatibilität untersucht wird. Z.B Kleidung: her der Extrakt aus in löslichen Stoffen (löslich in Schweiß) oder bei Spielzeug (Speichel).
Aber auch Verdünnungsreihen reine chemischer Substanzen.
Funktionsprinzip
Grundlage hierfür bildet die durch Adhäsion entstehende galvanische Kopplung zwischen Zellen und dem Sensor. Vitale Zellen verhalten sich im Nährmedium wie ein Isolator, der sich durch Adhäsion mit dem Zellträger verbindet. Beim Eintritt des Zelltods bricht die Zellmembran auf und infolgedessen zerfallen die Adhäsionskontakte. Die Zelle wirkt nicht mehr als Isolator. Die gemessene Impedanz ändert sich, hervorgerufen durch eine galvanische Kopplung zwischen Zellen und dem Sensor.
Die elektrische Impedanzspektroskopie ermöglicht Aussagen über das Wachstum bzw. Absterben der Zellproben zu treffen und dabei die Verträglichkeit des Wirkstoffes, welcher der Nährflüssigkeit beigemengt wurde zu beurteilen.
Für die Kopplung der biologischen Zellen an die Sensoroberfläche existieren 2 Varianten:
- Galvanische Kopplung mit dem Medium, die Wahl des Elektrodenmaterials und die geometrische Anordnung ist frei wählbar
- kapazitive Kopplung, hier ist die freiwählbare Elektrodenstruktur mit einem Dielektrika isoliert, Dicke und Material ist variabel
Basis der Elektronik ist der AD5933 von Analog Device. Dieser ermöglicht eine Impedanzspektroskopie von 1 kHz bis 100 kHz. Die Auswertung ist PC-basiert, die Daten können wahlweise drahtlos oder über Kabel übertragen werden. Das grafischem User interface des EvaluationsKits basiert auf Labview.