Electroporation of human tumor cells on a micro-structured chip

Abstract

Krebs ist heute die zweithäufigste Todesursache in der modernen Welt. Er ist zwar oft behandelbar, aber ein sehr teurer und für die Patienten anstrengender Prozess, der mit einer hohen Medikamenten- und Strahlenaufnahme verbunden ist. Um dies zu vermeiden, werden neue Behandlungsmethoden erforscht, von denen die meisten die Elektroporation beinhalten. Die Elektroporation ist ein Verfahren, bei dem bestimmte Signale stimuliert werden, die ein elektrisches Feld erzeugen, das wiederum die Zellmembran poröser werden lässt. Je nach Stärke des elektrischen Feldes können sich diese Poren in der Zellmembran wieder verschließen. Sind die Poren nicht in der Lage, sich wieder zu schließen, kommt es zu einer irreversiblen Elektroporation, und die Zelle stirbt schließlich ab. Wenn sich die Zellmembran wieder verschließen kann, kommt es zu einer reversiblen Elektroporation, die eine höhere zelluläre Arzneimittelaufnahme ermöglicht. Da sich der Schwellenwert für die Elektroporation von Zelltyp zu Zelltyp ändert, ist noch viel Forschungs- und Optimierungsarbeit zu leisten. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit ein maßgeschneidertes Elektroporationsgerät mit der Bezeichnung 5R0ELA entwickelt und gebaut. Zusammen mit dem Elektroporationsgerät wurden zwei Arten von Mikroelektrodenchips entworfen und gebaut, die ein schnelles und einfaches Experimentieren mit den Zellen ermöglichen sollen. Schließlich wurden sowohl das Elektroporationsgerät als auch die Chips mit zwei verschiedenen Methoden (Bioimpedanz und Zellfärbung) getestet, um festzustellen, ob dieser einfache und kostengünstige Aufbau Elektroporation bewirken kann.Schlüsselwörter: Elektroporation, elektrisches Feld, Tumor, Membran-Mikroelektroden, Chip, Gerät, Zellfärbung, HT-29

Cancer today is the second leading cause of death in the modern world. While often treatable, it is very expensive and for patients exhausting process, involving a lot of drug and radiation uptake. To avoid this new treatment methods are being investigated, most of them involving electroporation. Electroporation is a process where specific signals are stimulated, inducing an electrical field, which in turn causes the cell membrane to become more porous. Depending on the strength of said electrical field, those pores in cell membranes could reseal. In case the pores are not able to reseal, irreversible electroporation occurs, and the cell will die eventually. If the cell membrane can reseal, reversible electroporation occurs, allowing higher cellular drug uptake. Since the threshold of electroporation changes from cell type to cell type, a lot of research and optimization still needs to be done. For that sake, a custom electroporation device named 5R0ELA was designed and constructed during this thesis. Along the electroporation device, two types of microelectrode chips were designed and constructed, which would allow quick and easy experimentation on the cells. Finally, both the electroporation device and chips were tested, using two different methods (bioimpedance and cell staining), to conclude whether this simple and cost-efficient setup could cause electroporation. Keywords: Electroporation, electrical field, tumor, membrane microelectrodes, chip, device, cell staining, HT-29