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A novel cell-based microfluidic multichannel setup, impact of hydrodynamics and surface characteristics on the bioadhesion of polystyrene microspheres

Clara Maria Pichl

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Michael Wirth

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29182.91580.127755-4

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden Bindungsstudien mit unterschiedlich oberflächenmodifizierten Polystyrolmikropartikeln an Caco-2 Zellen durchgeführt. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf dem Einfluss hydrodynamischer Kräfte auf die Partikel-Zell-Interaktion, wobei die Fluidik in einem mittels akustischer Oberflächenwellen betriebenen chipbasierenden Mehrkanalsystem realisiert werden konnte. Um die Charakteristik der Partikel-Zell-Interaktion in Abhängigkeit von der Partikeloberfläche zu untersuchen, wurden carboxylierte und dadurch negativ geladene Polystyrolpartikel mit einer Größe von 1 µm auf unterschiedliche Weise modifiziert. So konnten durch Behandlung mit Polyethylenimin (PEI) positive Ladungen eingeführt werden. Zusammen mit den nicht modifizierten und somit negativ geladenen Ausgangspartikeln wurden diese Partikel für die Untersuchung ionischer Interaktionen herangezogen. Um darüber hinaus auch Partikel mit biorekognitiven Oberflächeneigenschaften zu generieren, wurden die carboxylierten Polystyrolmikropartikel durch Kopplung an Weizenlektin (wheat germ agglutinin, WGA) funktionalisiert. Versuche unter stationären Bedingungen ergaben, dass die für WGA-modifizierte Partikel ermittelten Zellbindungsraten sowohl bei Einzelzellen als auch bei Monolayern deutlich höher waren als bei den beiden anderen Partikelarten. Probleme ergaben sich aber bei der Auswertung der Zellassoziation der positiv geladenen PEI-Partikel, da die Ergebnisse hier sehr hohe Standardabweichungen aufwiesen. Dies dürfte vorwiegend auf eine ausgeprägte Tendenz dieser Partikel zur Aggregatbildung zurückzuführen sein. In diesem Zusammenhang konnte auch ein starker Einfluss des verwendeten Puffersystems sowohl auf die Stabilität als auch die Bindungseffizienz festgestellt werden. Aus diesem Grund sollte bei Verwendung derartiger Partikel besondere Sorgfalt auf die Auswahl eines geeigneten Puffersystems bzw. auf mikroskopische Kontrollen gelegt werden, um Partikelaggregationen und daraus resultierende verfälschte Ergebnisse möglichst ausschließen zu können. Bei der Charakterisierung der Partikel-Zell-Interaktion unter Flussbedingungen ließ sich feststellen, dass hydrodynamische Kräfte bei Partikelgrößen von 1 µm und Flussgeschwindigkeiten von 2000 µm s-1 keinen negativen Einfluss auf die Partikelbindung ausüben. Bei Beladung der Zellen mit Partikeln unter Flussbedingungen konnte sogar ein leicht positiver Effekt auf die Bindungshäufigkeit beobachtet werden. Erneut wurde für WGA-Partikel die höchste Zelladhäsion ermittelt. Daraus lässt sich ableiten, dass biorekognitive Wechselwirkungen im Bereich der Partikelbindung besser geeignet zu sein scheinen als ionische. Die Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass nach peroraler Applikation von Partikeln dieser Größenordnung durch die dynamischen Bedingungen in vivo kein negativer Einfluss auf die Bindung der Partikel an intestinale Epithelzellen, deren dortige Verweildauer und ihre etwaige Resorption zu erwarten ist, und sie sich deshalb als kolloidale Trägersysteme zur Wirkstoffverabreichung eignen sollten.

Abstract

(Englisch)

Carboxylated polystyrene microspheres with a diameter of 1 µm were surface-modified either by coating with poly(ethyleneimine) (PEI) as cationic polyelectrolyte leading to a conversion of the surface charge from negative to positive, or by covalent immobilization of Wheat germ agglutinin (WGA) via a carbodiimide method to obtain a carbohydrate specific biorecognitive surface. To characterize the impact of the binding mechanism on the particle-cell interaction, the binding efficiencies to Caco-2 cells were investigated for both, the biorecognitive WGA-grafted particles and the positively charged PEI-microspheres, and compared to the unmodified negatively charged polystyrene particles. As a result, WGA-grafted particles exhibited the highest binding rates for single cells as well as monolayers as compared to the positive and negative particles under stationary conditions. Concerning ionic interactions, PEI-coated particles suffered from a critical agglomeration tendency leading to a high variance in cell binding. Furthermore, in order to elucidate the bioadhesion properties under flow conditions, an acoustically-driven microfluidic multichannel system was applied. Using different setups, it could be demonstrated that the hydrodynamics exerted almost no impact on cell-bound particles with a size of 1 µm at a flow velocity of 2000 µm s-1. Indeed, the probability of cytoadhesion was even increased under flow conditions for these particles. Using this novel microfluidic system, it was thus possible to prove that the omnipresent hydrodynamic drag in vivo is mostly negligible for microparticlate drug delivery systems, if the diameter is in the range of 1 µm or below.

Autor*innen

Clara Maria Pichl

Haupttitel (Deutsch)

A novel cell-based microfluidic multichannel setup, impact of hydrodynamics and surface characteristics on the bioadhesion of polystyrene microspheres

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

43 S.

Sprache

Deutsch

Beurteiler*in

Michael Wirth

Klassifikation

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines

AC Nummer

AC08838025

Utheses ID

14838

Studienkennzahl

UA | 449 | | |

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