Evaluating electrical impedance of 3D tumor spheroids using microelectrode arrays

Abstract

Die elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine markierungsfreie und nicht-invasive Methode, die eine langzeitliche Überwachung von Zellen ermöglicht. In der Krebsforschung identifiziert EIS Veränderungen der Impedanzamplitude im mittleren Frequenzbereich (1 kHz – 100 kHz), die einen kompakten, elektrodenhaftenden Tumor widerspiegelt. Nach der Chemotherapiebehandlung nimmt die Impedanzamplitude ab, was auf ein lockeres Aggregat des weiterhin adhärenten Tumorsphäroids hindeutet. In dieser Diplomarbeit wurden kolorektale Krebs-Sphäroide aus der Zelllinie HT-29 gebildet, um die EIS basierte Überwachung der Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des Sphäroids auf zwei unterschiedlichen Mikroelektrodenarrays (MEAs) zu untersuchen, nämlich den planaren Glas-MEAs und Mesh-MEAs.Die Sphäroide wurden entweder unbehandelt belassen, mit Dimethylsulfoxid (DMSO) oder mit Navitoclax behandelt, woraufhin deren Impedanz täglich für fünf Tage mit MEAs gemessen wurden. Die Impedanzdaten wurden anschließend durch eine Berechnung der Fläche unter der Impedanzamplitudenkurve über einen Frequenzbereich von 1 kHz bis 100 kHz ausgewertet, um eine quantitative Vergleichbarkeit zwischen allen Behandlungsbedingungen zu ermöglichen. Die statistische Analyse erfolgte mittels eines nichtparametrischen Rangtests, um systematische Impedanzänderungen nach der Adhäsion der Sphäroide an die Elektroden zu untersuchen.Die Behandlung mit Navitoclax führte bei beiden MEA-Typen zu einem höheren Abfall der relativen Impedanzveränderung, was auf eine geringere Kompaktheit und Elektrodenhaftung des Sphäroids hindeutet im Vergleich zu den Kontrollbedingungen. Dabei zeigten jedoch die Glas-MEAs einen stärkeren Impedanzabfall im Gegensatz zu den Mesh-MEAs. Erweiterte Messungen mit Mesh-MEAs zeigten zudem Unterschiede in der Impedanz zwischen Elektrodenpaaren, die vollständig bzw. nur teilweise von einem Sphäroid bedeckt waren.Qualitative Zell-Viabilitätsfärbungen nach der letzten Impedanzmessung zeigten eine reduzierte Zelllebensfähigkeit im Sphäroidkern sowie überwiegend vitale Zellen in der Peripherie. Aufgrund der begrenzten Anzahl gefärbter Proben wurde diese Beobachtung jedoch ausschließlich qualitativ interpretiert.Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass EIS einen nicht-destruktiven Ansatz zur Langzeitüberwachung der elektrischen Eigenschaften von Tumorsphäroiden darstellt und den Einfluss der MEA-Architektur auf Impedanzmessungen verdeutlicht.

Electrical impedance spectroscopy (EIS) is a label-free and non-invasive technique that enables long-term monitoring of cells. In cancer research, EIS identifies changes at mid-range frequencies (1 kHz – 100 kHz) of the impedance magnitude, which itself reflects a compact electrode-adherent tumor. After chemotherapeutic treatment the impedance magnitude declines, indicating a loose aggregate of the still adherent tumor spheroid. In this thesis, colorectal cancer (CRC) spheroids were formed from the HT-29 cell line to investigate EIS-based monitoring of impedance-based changes in spheroid compactness and adherence on two different microelectrode array (MEA) types, namely the planar glass MEAs and mesh-based MEAs.The spheroids were either left untreated, treated with the solvent dimethyl sulfoxide (DMSO) or treated with the chemotherapeutic agent Navitoclax, whereupon the impedance of the spheroids were recorded daily over five days with the MEAs. The impedance data was then analyzed by calculating the area under the impedance magnitude curve for frequencies ranging from 1 kHz to 100 kHz to enable quantitative comparisons across all treatment conditions. A statistical analysis was performed using a non-parametric rank test to assess systematic impedance changes after the spheroid adhered to the electrodes.Navitoclax treatment resulted in a higher decline in relative impedance change for both MEA types, indicating a looser and less compact spheroid structure compared to the control conditions. However, the glass MEAs showed a stronger decline in impedance, in comparison to the mesh MEA. Extended measurements on mesh MEA revealed differences in impedance between electrode pairs fully and partially covered by the spheroid.Qualitative live/dead staining performed after the final impedance measurements indicated reduced viability in the spheroid core and predominantly viable cells at the periphery. However, due to limited number of stained samples, this observation was interpreted qualitatively. Overall, this work shows that EIS provides a non-destructive approach for long-term monitoring of tumor spheroid electrical properties and highlights the influence of MEA architecture on impedance measurements.