Dielectrophoresis of human tumor spheroids on a microfluidic chip

Abstract

In den letzten Jahren haben Sphäroide und Organoiden die Genauigkeit und Bequemlichkeit von in-vitro -Studien im Vergleich zu herkömmlichen Zell- und Tierversuchen erheblich verbessert. Sphäroide sind dreidimensionale Zellaggregate, die den Eigenschaften von Tumoren im menschlichen Körper sehr nahekommen und somit wertvolle Forschungssubjekte für die Krebsforschung und Testung potentieller Therapien darstellen. Organoide sind ebenfalls in-vitro-3D-Zellkulturen, die organähnliche Strukturen bilden und als vergleichende mikrophysiologische Systeme dienen. Die elektrophysiologische Reaktion der 3D-Zellkulturen auf verschiedene Therapien und Zustände wird meistens über integrierte Elektroden aufgezeichnet.In dieser Diplomarbeit wird die potentielle Anwendung der Dielektrophorese zur Positionierung von menschlichen Tumorsphäroiden mittels diesen integrierten Elektroden vorgestellt. "Dielektrophorese" ist die Bewegung von Partikeln aufgrund ihrer elektro-physikalischen Eigenschaften in einem inhomogenen Feld. Die Positionierung von menschlichen Tumorsphäroiden mittels Dielektrophorese kann ein zusätzliches Werkzeug zur automatischen Manipulation von 3D-Zellkulturen sein. Darüber hinaus kann die präzise Positionierung dieser Sphäroide auf Elektroden mittels DEP unser Verständnis des Verhaltens von Tumoren verbessern und die Entwicklung personalisierter Krebstherapien vorantreiben. Das aktuelle Problem ist die Platzierung der Sphäroide auf den Fingern der Sensorelektroden, da die Elektroden spezifisch positioniert sind und die Sphäroide sich zufällig auf dem Chip anordnen. Daher lautet die Fragestellung in dieser Studie, ob DEP eine ausreichende translatorische Wirkung auf Sphäroide hat und effektiv zur selektiven Mikropositionierung verwendet werden kann. Um diese Fragen zu beantworten, wurden Simulationen und Experimente durchgeführt. Auf Glas-Chips wurden Mikroelektroden mittels Photolithographie hergestellt. Aus diesen Chips wurden Lab-on-a-Chip-Plattformen mit Hilfe von PDMS und Xurographie-Techniken hergestellt. Die Frequenzgeneratoren wurden dann über speziell angefertigte Adapter mit dem Lab-on-a-Chip verbunden. Anschließend wurden Sphäroide in die Vorrichtung eingebracht und ihre dielektrische Bewegung über ein vordefiniertes Frequenzspektrum unter mikroskopischer Beobachtung untersucht. Die Ergebnisse der Studie zeigen neue wichtige Erkenntnisse, darunter das erfolgreiche Rollen von Sphäroiden mittels Dielektrophorese, aber auch unerwünschte Nebeneffekte wie Elektrolyse in bestimmten Frequenzbereichen. Bei 2 MHz und 10 V wurde eine erfolgreiche DEP-Positionierung von ca. 150 μm großen menschlichen Tumor-Sphäroiden zwischen 300 μm entfernten Elektroden erreicht. Das Fazit dieser Studie ist, dass die Dielektrophorese eine wirksame Lösung zur Positionierung von menschlichen Tumorsphäroiden auf Elektroden ist, was Möglichkeiten eröffnet, weitere Forschung zu verbessern.

In the last few years, spheroids and organoids have significantly improved the accuracy and convenience of in vitro studies compared to conventional cell monolayers and animal models. Spheroids are three-dimensional cell aggregates that closely mimic the characteristics of tumors in the human body, making them valuable tools for studying cancer biology and testing potential therapies. Organoids are in vitro 3D cell culture micro physiological systems of organ-like structures. Spheroids and Organoids, and their electrophysiological reaction to therapies or conditions, are usually recorded via integrated electrodes. In this thesis, the potential application of dielectrophoresis in positioning human tumor spheroids via these integrated electrodes is presented. "Dielectrophoresis" is the movement of particles based on their insulating properties in an inhomogeneous field. Positioning human tumor spheroids using dielectrophoresis can become an additional tool in automated cell cluster manipulation. Furthermore, being able to precisely position human tumor spheroids on biological activity recording electrodes using dielectrophoresis can enhance our understanding of tumor behavior and improve the development of personalized cancer treatments. The current problem is that human tumor spheroids placement on sensing electrodes is difficult, as the electrodes are specifically located, and the human tumor spheroids are arranged randomly in cell media on top of the chip. Therefore, the question asked in this study is whether DEP has a sufficient translational effect on human tumor spheroids and can be effectively used to selectively micro-position them. To answer these questions, simulations and experiments were conducted utilizing specifically developed tools. The glass wafer hosted electrodes created through photolithography, on top of the electrode glass substrate were lab-on-a-chip devices manufactured using PDMS casting and Xurography techniques. Frequency generators were interlinked to the lab-on-a-chip via tailor-made adapters. Subsequently, human tumor spheroids were introduced into the apparatus, a predetermined electric field frequency spectrum was applied and the dielectrophoresis of human tumor spheroids was subsequently examined. The results of the study revealed key findings, which include the successful movement of human tumor spheroids using DEP, but also side appearances like electrolysis. At 2 MHz and 10 V a successful DEP positioning of approx. 150 μm big human tumor spheroids between 300 μm distant electrodes was achieved. This study concludes that DEP can be an effective solution for positioning human tumor spheroids on electrodes, which opens possibilities to improve further research and advancements in cancer diagnostics and therapeutics.