Fabrication of advanced microelectrodes for the promotion of selective cardiomyocyte adhesion

Abstract

Das Testen von Arzneimitteln für Anwendungen beim Menschen ist einer der wesentlichen Sicherheitsaspekte bei der modernen Arzneimittelzulassung. Ein wichtiger Schritt bei dieser Zulassung ist, wie die Medikamente die elektrophysiologische Reaktion des Herzens und seiner Zellen beeinflussen. Dies kann mit Mehrfachelektrodenarrays getestet werden, die in einigen Fällen nicht die beste Testausbeute hinsichtlich der Zelladhäsion aufweisen. Die Adhäsion der Zellen auf diesen Mikrochips ist schlecht kontrollierbar, dies kann jedoch die Qualität und Auflösung des Testens des Herzmuskels verbessern Zellen (Kardiomyozyten) mit verschiedenen Wirkstoffen. Kann das Material selbst oder eine Veränderung durch chemische oder biologische Oberflächenverbesserungen die Adhäsion von Zellen auf einem Mikrochip verändern? In dieser Arbeit wird untersucht, wie Kardiomyozyten wachsen und wie sie an verschiedenen anorganischen Materialien wie Chrom, Silber, Nickel, ITO und Gold haften. Da Kardiomyozyten die Fähigkeit zur Proliferation verlieren, wird gezeigt, wie sie sich von menschlichen pluripotenten Stammzellen unterscheiden. Eines der Elektrodenmaterialien ist Gold, das mit einer als selbstorganisierende Monoschichten bezeichneten Methode verändert wird, um die Auswirkung auf die Haftung der Zellen zu testen. Es werden auch verschiedene Proteinbeschichtungen wie Vitronectin, Laminin 511 und Matrigel getestet. Es kann gezeigt werden, dass Kardiomyozyten für die Oberfläche, an der sie haften, hochselektiv sind. Es kann jedoch gezeigt werden, dass sie ein besonderes Verhalten bei der Oxidation von Silber aufweisen. Auch das Verhalten der Zellen auf Gold, das mit selbstorganisierenden Monoschichten verändert wurde, zeigt einen Weg, die Adhäsion der Kardiomyozyten zu steuern, insbesondere mit der Beschichtung von Laminin 511. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Adhäsion von Kardiomyozyten auf verschiedenen anorganischen Elektrodenmaterialien bei . Mit diesem Wissen ist ein besseres Design von Mikrochips möglich, insbesondere im Hinblick auf die kontrollierte Wechselwirkung der Zellen mit der veränderten Oberfläche der Elektroden. Dies könnte die Ausbeute und Auflösung neu entwickelter Mehrelektrodenarrays erhöhen.

Testing drugs for human applications is one of the essential safety aspects in modern drug approval. An important step in this approval is how the drugs effect the electrophysiological reaction of the heart and its cells. This can be tested with Multi electrode arrays, which have in some cases not the best testing yield in regard to the cell adhesion.The adhesion of the cells on these microchips is badly controllable, however this might improve the quality and resolution of testing heart muscle cells (cardiomyocytes) with different drugs. Though can the material itself or altering it with chemical or biological surface improvements change the adhesion of cells on a microchip?This thesis investigates in how cardiomyocytes are growing and how they adhere to different inorganic materials like chrome, silver, nickel, ITO and gold. Because cardiomyocytes lose the ability of proliferation, it will be shown how they are differentiated from human pluripotent stem cells. One of the electrode materials is gold, which is altered with a method called self-assembling monolayers to test the effect of this on the adherence of the cells. Also different protein coatings will be tested like vitronectin, laminin 511 and Matrigel. It can be displayed that cardiomyocytes are highly selective to the surface they adhere to. It although can be shown that they have a special behaviour on oxidising silver. Also the behaviour of the cells on gold altered with self-assembling monolayers shows a way to control the adhesion of the cardiomyocytes, especially with the coating of laminin 511.This work contributes to a better understanding of the adhesion of cardiomyocytes on different inorganic electrode materials. With this knowledge a better design of microchips is possible, especially in regard to the controlled interaction of the cells to altered surface of the electrodes. This might increase in the yield and resolution of new designed multi electrode arrays.