@phdthesis{Jihyoung2024,
  author    = {Jihyoung, Choi},
  title     = {Development of an Add-On Electrode for Non-Invasive Monitoring in Bioreactor Cultures and Medical Devices},
  doi       = {10.25972/OPUS-35823},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-358232},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a valuable technique analyzing electrochemical behavior of biological systems such as electrical characterization of cells and biomolecules, drug screening, and biomaterials in biomedical field. In EIS, an alternating current (AC) power signal is applied to the biological system, and the impedance of the system is measured over a range of frequencies. In vitro culture models of endothelial or epithelial barrier tissue can be achieved by culturing barrier tissue on scaffolds made with synthetic or biological materials that provide separate compartments (apical and basal sides), allowing for further studies on drug transport. EIS is a great candidate for non-invasive and real-time monitoring of the electrical properties that correlate with barrier integrity during the tissue modeling. Although commercially available transendothelial/transepithelial electrical resistance (TEER) measurement devices are widely used, their use is particularly common in static transwell culture. EIS is considered more suitable than TEER measurement devices in bioreactor cultures that involve dynamic fluid flow to obtain accurate and reliable measurements. Furthermore, while TEER measurement devices can only assess resistance at a single frequency, EIS measurements can capture both resistance and capacitance properties of cells, providing additional information about the cellular barrier's characteristics across various frequencies. Incorporating EIS into a bioreactor system requires the careful optimization of electrode integration within the bioreactor setup and measurement parameters to ensure accurate EIS measurements. Since bioreactors vary in size and design depending on the purpose of the study, most studies have reported using an electrode system specifically designed for a particular bioreactor. The aim of this work was to produce multi-applicable electrodes and established methods for automated non-invasive and real-time monitoring using the EIS technique in bioreactor cultures. Key to the electrode material, titanium nitride (TiN) coating was fabricated on different substrates (materials and shape) using physical vapor deposition (PVD) and housed in a polydimethylsiloxane (PDMS) structure to allow the electrodes to function as independent units. Various electrode designs were evaluated for double-layer capacitance and morphology using EIS and scanning electron microscopy (SEM), respectively. The TiN-coated tube electrode was identified as the optimal choice. Furthermore, EIS measurements were performed to examine the impact of influential parameters related to culture conditions on the TiN-coated electrode system. In order to demonstrate the versatility of the electrodes, these electrodes were then integrated into in different types of perfusion bioreactors for monitoring barrier cells. Blood-brain barrier (BBB) cells were cultured in the newly developed dynamic flow bioreactor, while human umblical vascular endothelial cells (HUVECs) and Caco-2 cells were cultured in the miniature hollow fiber bioreactor (HFBR). As a result, the TiN-coated tube electrode system enabled investigation of BBB barrier integrity in long-term bioreactor culture. While EIS measurement could not detect HUVECs electrical properties in miniature HFBR culture, there was the possibility of measuring the barrier integrity of Caco-2 cells, indicating potential usefulness for evaluating their barrier function. Following the bioreactor cultures, the application of the TiN-coated tube electrode was expanded to hemofiltration, based on the hypothesis that the EIS system may be used to monitor clotting or clogging phenomena in hemofiltration. The findings suggest that the EIS monitoring system can track changes in ion concentration of blood before and after hemofiltration in real-time, which may serve as an indicator of clogging of filter membranes. Overall, our research demonstrates the potential of TiN-coated tube electrodes for sensitive and versatile non-invasive monitoring in bioreactor cultures and medical devices.},
  subject      = {Monitoring},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Sisario2022,
  author    = {Sisario, Dmitri Jonas},
  title     = {Bildbasierte Analyse von S{\"a}ugetierzellen unter dem Einfluss von osmotischem Stress, {\"u}berkritischen elektrischen Feldern und ionisierender Strahlung},
  doi       = {10.25972/OPUS-24677},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-246772},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Im ersten Teil dieser Doktorarbeit wurde die kurz nach Elektroporation eintretende h{\"a}molytische Zellbewegung von humanen Erythrozyten erstmals quantitativ untersucht, um den zu Grunde liegenden Mechanismus aufzukl{\"a}ren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Bewegung aus dem Ausstoß von unter Druck stehendem Zytosol resultierte. Durch weitere Experimente wurde die Beteiligung des Nicht-Muskel-Myosins NMIIA am Aufbau des zytosolischen {\"U}berdrucks nachgewiesen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde ein molekular-mechanischer bisher unbekannter NMII-basierter Mechanismus der rapiden Ghostbildung beschrieben. Diese Erkenntnis k{\"o}nnte biomedizinische Relevanz besitzen, da der Abbau von Erythrozyten in der Milz die Transformation zu Hb-armen Ghosts voraussetzt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasste sich mit dem Hirntumor Glioblastoma multiforme (GBM), dessen Rezidiv haupts{\"a}chlich auf Strahlenresistenz und Zellinvasion zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Deshalb wurde mittels hochaufl{\"o}sender Fluoreszenzmikroskopie (dSTORM) die Nanostruktur des DSB-Markers Histon γH2AX und des DNA-Reparaturfaktors DNA-PKcs in bestrahlten GBM-Zellen analysiert. Anhand von dSTORM-Rekonstruktionen wurde erstmals gezeigt, dass die beiden Proteine kaum Kolokalisation im Nanometerbereich aufweisen. Zunehmend wird die anomale Expression von Membrantransportern aus der SLC-Familie mit der Migration von Krebszellen in Verbindung gebracht. Der finale Abschnitt befasste sich daher mit der subzellul{\"a}ren Lokalisierung der Transporterproteine SLC5A1 und SLC5A3 in GBM-Zellen, um ihre Beteiligung an der Zellmigration nachzuweisen. Dabei wurde erstmals gezeigt, dass der Leitsaum der untersuchten GBM-Zellen deutliches SLC5A1- und SLC5A3-Signal aufwies. Basierend auf diesen Befunden wurden den Transportern unterschiedliche Aufgaben bei der zellmigrativen lokalen Volumenregulation zugeschrieben. Somit erg{\"a}nzen SLC5A1 und SLC5A3 das migrationsassoziierte Krebszell-Transportom.},
  subject      = {Erythrozyt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Brendtke2018,
  author    = {Brendtke, Rico},
  title     = {Entwicklungsaspekte eines Medizinproduktes zur Pr{\"a}vention und {\"U}berwachung von Hydrierungszust{\"a}nden},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-157181},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Der demografische Wandel und das Populationswachstum stellen eine globale Herausforderung f{\"u}r die Gesundheitssysteme dar. Eine vielversprechende L{\"o}sungsstrategie liegt in der digitalen {\"U}berwachung, Pr{\"a}vention und Therapie akuter und chronischer Erkrankungen durch die Nutzung von innovativen Technologien aus dem Bereich der personalisierten Medizin. Die Digitalisierung in der {\"U}berwachung von Vitalparametern mittels Sensorik besitzt großes Potential f{\"u}r die l{\"a}ngere Gesunderhaltung der Patienten und somit die Entlastung der Gesundheitssyteme im Ganzen. Da Wassermangel f{\"u}r eine Vielfalt von Krankheiten einen Katalysator darstellt, ist die Hydratation ein wichtiger aber bislang nur invasiv zug{\"a}nglicher Vitalparameter. Zur Etablierung nicht invasiver Messungen des Wasserhaushaltes am Menschen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung der Mikrowellentechnologie untersucht. Dehydratation resultiert in der Ver{\"a}nderung des Osmolythaushaltes und beeinflusst biochemische Prozesse, was zur Entstehung von Morbidit{\"a}t f{\"u}hren kann. Im Rahmen der Arbeit werden Teilbereiche der Entwicklung eines Medizinproduktes abgebildet. Zu diesem Zweck wird die Machbarkeit der mikrowellenbasierten Analyse des Wasserhaushaltes in einer technischen Machbarkeitsstudie untersucht, um im zweiten Prozessschritt einen technischen Demonstrator in vitro und in vivo am Probanden erproben zu k{\"o}nnen. Hochfrequente elektromagnetische Wellen interagieren mit Molek{\"u}len, speziell Wasser. Enth{\"a}lt eine Probe freie Wassermolek{\"u}le, kann dies im reflektierten Signal detektiert werden. Zur {\"U}berpr{\"u}fung des Sensorsystems in vitro dienen humane 3D-Vollhautmodelle mit spezifischer Hydratation und Gewebedichte der Matrixkomponenten als standardisiertes Modell zur Untersuchung definierter Exsikkoseszenarien und des Einflusses verschiedener Modellkomplexit{\"a}ten. Die Eignungs{\"u}berpr{\"u}fung des Systems mit einem technischen Demonstrator des k{\"u}nftigen Medizinproduktes belegt die Anwendbarkeit des Messsystems zur Erfassung des relativen Wassergehaltes. Die Technologie zeichnet sich durch eine hohe Sensitivit{\"a}t bei der Destinktion von Proben mittels Frequenz- und Signalreflektionsdifferenzen aus. Neben den In-vitro-Testungen wird das entwickelte Sensorsystem aus regulatorischer Sicht zur klinischen Leistungs{\"u}berpr{\"u}fung vorbereitet und im Rahmen eines bewilligten Ethikvotums in vivo erprobt. Die Ergebnisse belegen die Machbarkeit der nichtinvasiven Erfassung des Wasserhaushaltes durch mikrowellenbasierte Messungen. Die Technologie birgt das Potential, in ein k{\"o}rpernahes Sensorsystem integriert zu werden, welches als Medizinprodukt zur pers{\"o}nlichen Gesundheits{\"u}berwachung zugelassen werden kann.},
  subject      = {Medizinprodukt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Andronic2014,
  author    = {Andronic, Joseph},
  title     = {Volumenregulatorische Transportwege von anorganischen und organischen Osmolyten in S{\"a}ugetierzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-103255},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Die Aufrechterhaltung des Zellvolumens unter variablen osmotischen Bedingungen stellt f{\"u}r nahezu alle tierischen Zellen eine essenzielle Aufgabe dar. Um regulatorische Volumenanpassungen vorzunehmen besitzen sie daher effektive Mechanismen, mit deren Hilfe der zellul{\"a}re Gehalt an organischen und anorganischen Osmolyten erh{\"o}ht (= regulatorische Volumenzunahme; RVI) oder gesenkt (= regulatorische Volumenabnahme; RVD) werden kann. Trotz langj{\"a}hriger Forschung auf diesem Gebiet konnten die hieran beteiligten Transportwege f{\"u}r Osmolyte bisher nur unvollst{\"a}ndig aufgekl{\"a}rt werden. Insbesondere bei T-Lymphozyten sind wichtige Zellfunktionen wie die Proliferation, Migration und die T-Zell-Aktivierung eng mit volumenregulatorischen Mechanismen verbunden. Bei all diesen Prozessen sind u. a. unterschiedliche Kaliumkan{\"a}le beteiligt, die insbesondere f{\"u}r die pharmakologische Manipulation von Immunsystemprozessen von wissenschaftlichem Interesse sind. Bisherige Modelle der hypotonen Volumenregulation von T-Lymphozyten ber{\"u}cksichtigen lediglich den spannungsabh{\"a}ngigen KV1.3 sowie den Ca2+-aktivierten IKCa1-Kanal, die zur Klasse der 6TM/P-K+-Kan{\"a}le geh{\"o}ren. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine potentielle Rolle von k{\"u}rzlich entdeckten Zwei-Poren Dom{\"a}nen Kaliumkan{\"a}len (K2P) am RVD von murinen und humanen prim{\"a}ren CD4+-T-Lymphozyten untersucht. In einem kombinierten genetischen und pharmakologischen Ansatz mittels knockout-Tiermodellen und dem Einsatz kanalspezifischer Inhibitoren konnte mithilfe zellvolumetrischer Analysen gezeigt werden, dass die K2P-Vertreter TASK1, TASK2, TASK3 und TRESK maßgeblich am schwellungsaktivierten Efflux von K+ beteiligt sind. Beurteilt an den Ergebnissen dieser Untersuchung sind der spannungsabh{\"a}ngige TASK2- und der Ca2+-aktivierte TRESK-Kanal f{\"u}r die hypotone Volumenregulation in T-Zellen deutlich bedeutender als TASK1 und TASK3. Der Beitrag der Kan{\"a}le TASK2 und TRESK am RVD-Prozess war {\"u}ber dies vergleichbar mit dessen des bisher bekannten KV1.3-Kanals. In dieser Arbeit wurde damit erstmals eine Beteiligung der K2P-Kan{\"a}le am RVD muriner und humaner CD4+-Lymphozyten identifiziert. Aufgrund der engen Verbindung zwischen T-Zell-Funktion und der Volumenregulation k{\"o}nnen Zwei-Poren Dom{\"a}nen K+-Kan{\"a}le damit in den engeren Kreis potentieller immunmodulierende Angriffspunkte aufgefasst werden. Im zweiten und umfangreicheren Teil dieser Arbeit wurden dar{\"u}ber hinaus die schwellungsaktivierten Transportwege f{\"u}r organische Osmolyte (small organic osmolytes; SOOs) untersucht. SOOs stellen chemisch inerte Verbindungen dar, zu denen vor allem Polyole (Sorbitol, myo-Inositol), Methylamine (Betain, α-Glycerophosphocholin) sowie Aminos{\"a}uren (α- bzw. β-Alanin und Prolin) und deren Derivate (Taurin) z{\"a}hlen. Da SOOs weder die zellul{\"a}re Struktur noch die Funktion von Makromolek{\"u}len beeintr{\"a}chtigen, sind sie wichtige Instrumente der Volumenregulation, die sich in hohen Konzentrationen im Zytosol nahezu aller Zellen wiederfinden. Werden tierische Zellen mit hypotonen Bedingungen konfrontiert, dann ist bei nahezu allen Zellen die Freisetzung organischer Osmolyte zu beobachten, wodurch die zellul{\"a}re Osmolarit{\"a}t unabh{\"a}ngig von Elektrolyten angepasst werden kann. Trotz der wichtigen Funktion der SOOs in der Osmoregulation tierischer Zellen konnte die molekulare Identit{\"a}t beteiligter Effluxwege (Kan{\"a}le bzw. Transporter) bisher nicht aufgekl{\"a}rt werden. Ungeachtet der molekularen Identit{\"a}t der SOO-Effluxwege war es aus zahlreichen biotechnologischen Anwendungen zu Beginn dieser Arbeit bekannt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege f{\"u}r organische Osmolyte eine gr{\"o}ßenselektive Permeabilit{\"a}t f{\"u}r eine Reihe monomerer Zucker und verwandter Verbindungen aufweisen. Um diese Gr{\"o}ßenselektivit{\"a}t n{\"a}her zu charakterisieren, wurde im ersten Schritt die schwellungsaktivierte Membranpermeabilit{\"a}t f{\"u}r eine Reihe strukturell homogener Polyethylenglykole unterschiedlicher Polymerl{\"a}nge (PEG200-1500; hydrodynamische Radien zwischen ~0,5-1,5 nm) unter iso- und hypotonen Bedingungen in Jurkat-Lymphozyten untersucht. Unter milden hypotonen Bedingungen (200 mOsm) war die Plasmamembran der untersuchten Lymphozyten f{\"u}r PEG300-1500 undurchl{\"a}ssig, was aus der F{\"a}higkeit der Zellen zur hypotonen Volumenregulation geschlossen werden konnte. Dar{\"u}ber hinaus wurde RVD in stark hypotonen L{\"o}sungen (100 mOsm) mit PEG600-1500 beobachtet, w{\"a}hrend PEG300-400 unter vergleichbaren osmotischen Bedingungen die Volumenregulation der Zellen inhibierten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass starkes hypotones Zellschwellen der Lymphozyten zur Permeabilisierung der Plasmamembran f{\"u}r PEG300-400, nicht jedoch f{\"u}r PEG600-1500, f{\"u}hrt. Anhand der hydrodynamischen Radien Rh der verwendeten PEGs konnte ein cutoff-Radius von ~0,74 nm f{\"u}r schwellungsaktivierte Transportwege organischer Osmolyte bestimmt werden. Da diese schwellungsaktivierten Transportwege vielf{\"a}ltig f{\"u}r Zellbeladungstechniken verwendet werden, k{\"o}nnte dieses Ergebnis f{\"u}r zahlreiche biotechnologische und biomedizinische Anwendungen von Interesse sein. Im zweiten Schritt wurde der Versuch unternommen, potentielle Transportwege f{\"u}r organische Osmolyte im RVD-Prozess molekular zu identifizieren. Da es grundlegend ungekl{\"a}rt war, wie viele unterschiedliche Transporter bzw. Kan{\"a}le am Efflux der zahlreichen organischen Osmolyte beteiligt sind, erfolgte zun{\"a}chst die vergleichende Analyse des schwellungsaktivierten Membrantransports strukturell verschiedener SOOs einschließlich der Aminosulfons{\"a}ure Taurin und des Polyols myo-Inositol. Hierbei wurde erstmals gezeigt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege f{\"u}r Taurin und myo-Inositol deutlich unterschiedliche Aktivit{\"a}tsprofile aufweisen. W{\"a}hrend der Taurintransport bereits unter milden hypotonen Bedingungen, d.h. nach einer geringen Absenkung der Osmolalit{\"a}t von 300 auf ~230 mOsm, aktiviert wurde, erfolgte die Aktivierung der Membranpermeabilit{\"a}t f{\"u}r myo-Inositol bei einer viel niedrigeren Osmolalit{\"a}t von ~150 mOsm. Dar{\"u}ber hinaus wiesen die beiden Transportwege unter vergleichbarem hypotonen Stress von 100 mOsm deutlich unterschiedliche Aktivit{\"a}tsdauern auf (Transport von Taurin ~95 min und myo-Inositol ~40 min). Somit deuteten diese Ergebnisse erstmals auf substrat-spezifische Transportwege f{\"u}r SOOs hin, die voneinander stark abweichende osmotische Aktivierungsprofile besitzen. Als aussichtsreiche Kandidaten f{\"u}r diese Transportwege wurden zwei Mitglieder der Gruppe der Solute Carrier (SLC) untersucht, die klare {\"U}bereinstimmungen mit den gesuchten Transportern f{\"u}r SOOs aufweisen. Daher wurde im Weiteren eine RVD-Beteiligung dieser Transportergruppe mit einer Kombination aus molekularbiologischer und konventioneller bzw. hochaufgel{\"o}ster mikroskopischen Techniken {\"u}berpr{\"u}ft. Die semiqantitativen RT-PCR-Ergebnisse dieser Arbeit zeigen dabei, dass die Gentranskription der potentiellen SOO-Transporter SLC5A3 und SLC6A6 in den untersuchten Zelllinien Jurkat, HEK wie auch HepG2-Zellen durch hypotone Bedingungen deutlich verst{\"a}rkt wird. Hierbei nimmt der zellul{\"a}re mRNA-Gehalt der Gene SLC5A3 zwischen 20-60\% und SLC6A6 um 30-100\% innerhalb von 10-20 min zu, was auf eine potentielle RVD-Beteiligung von SLC-Transportern hindeutet. Ausgehend von diesem Ergebnis wurde daraufhin die zellul{\"a}re Lokalisation des SLC5A3-Transporters unter isotonen und hypotonen Bedingungen mikroskopisch untersucht. Wie anhand der konfokalen lasermikroskopischen Untersuchung zu erkennen ist, findet unter hypotoner Stimulation eine zellul{\"a}re Umverteilung des mit EGFP fluoreszenzmarkierten Proteins SLC5A3 statt. Innerhalb von 10 min wird der Transporter dabei von intrazellul{\"a}ren Regionen in Richtung Plasmamembran verlagert. Dar{\"u}ber hinaus konnte mit Hilfe der hochaufl{\"o}senden Mikroskopie-Technik dSTORM gezeigt werden, dass der Transporter SLC5A3 unter hypotoner Stimulation verst{\"a}rkt mit der Plasmamembran assoziiert vorliegt. Diese verst{\"a}rkte Membranassoziation des SLC5A3-Proteins deutet damit auf einen schwellungsinduzierten exozytotischen Einbau des Transporters hin. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen damit erstmals, dass SLC-Transporter wie SLC5A3, SLC6A6 und vermutlich andere Vertreter der SLC-Superfamilie potentiell am Mechanismus der hypotonen Volumenregulation beteiligt sind. Da SLC-Transporter als wichtige Transportsysteme f{\"u}r Therapeutika angesehen werden und die Mechanismen der Volumenregulation bereits in zahlreichen biotechnologischen Anwendungen implementiert sind, k{\"o}nnte der hier aufgedeckte Zusammenhang einen Erkenntnisgewinn f{\"u}r zahlreiche biomedizinische Forschungsgebiete darstellen.},
  subject      = {S{\"a}ugetiere},
  language  = {de}
}