Authors:	Tarantola, Marco
Title:	Dynamics of epithelial monolayers assessed by acoustic and impedimetric whole cell biosensors
Online publication date:	1-Feb-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	Mit der Zielsetzung der vorliegenden Arbeit wurde die detailierten Analyse von Migrationsdynamiken epithelilaler Monolayer anhand zweier neuartiger in vitro Biosensoren verfolgt, der elektrischen Zell-Substrat Impedanz Spektroskopie (electrical cell-substrate impedance sensing, ECIS) sowie der Quarz Kristall Mikrowaage (quartz crystal microbalance, QCM). Beide Methoden erwiesen sich als sensitiv gegenüber der Zellmotilität und der Nanozytotoxizität.rnInnerhalb des ersten Projektes wurde ein Fingerprinting von Krebszellen anhand ihrer Motilitätsdynamiken und der daraus generierten elektrischen oder akkustischen Fluktuationen auf ECIS oder QCM Basis vorgenommen; diese Echtzeitsensoren wurdene mit Hilfe klassicher in vitro Boyden-Kammer Migrations- und Invasions-assays validiert. Fluktuationssignaturen, also Langzeitkorrelationen oder fraktale Selbstähnlichkeit aufgrund der kollektiven Zellbewegung, wurden über Varianz-, Fourier- sowie trendbereinigende Fluktuationsanalyse quantifiziert. Stochastische Langzeitgedächtnisphänomene erwiesen sich als maßgebliche Beiträge zur Antwort adhärenter Zellen auf den QCM und ECIS-Sensoren. Des weiteren wurde der Einfluss niedermolekularer Toxine auf die Zytoslelettdynamiken verfolgt: die Auswirkungen von Cytochalasin D, Phalloidin und Blebbistatin sowie Taxol, Nocodazol und Colchicin wurden dabei über die QCM und ECIS Fluktuationsanalyse erfasst.rnIn einem zweiten Projektschwerpunkt wurden Adhäsionsprozesse sowie Zell-Zell und Zell-Substrat Degradationsprozesse bei Nanopartikelgabe charackterisiert, um ein Maß für Nanozytotoxizität in Abhangigkeit der Form, Funktionalisierung Stabilität oder Ladung der Partikel zu erhalten.rnAls Schlussfolgerung ist zu nennen, dass die neuartigen Echtzeit-Biosensoren QCM und ECIS eine hohe Zellspezifität besitzen, auf Zytoskelettdynamiken reagieren sowie als sensitive Detektoren für die Zellvitalität fungieren können. The central aim of this work was focused on scrutinizing migration dynamics of epithelial monolayers by two novel in vitro biosensors: electrical cell‐substrate impedance sensing (ECIS) and quartz crystal microbalance (QCM). Both proved to be suitable to address cell motility and nanocytotoxicity.rnThe first focus was put on fingerprinting cancer cells by their cell body dynamics and the generated electrical or acoustic fluctuations in ECIS and QCM (termed F‐QCM) readouts. Here, the classical cancer cell motility in‐vitro assays for migration and invasion relying on Boyden chambers are compared to real‐time biosensors that analyze the dynamic properties of adherent cells with a time resolution in the order of seconds. Signatures of long‐memory correlations in motility as well as fractal, self‐similarity and collective motion were analyzed by variance determination, power density estimation and detrended fluctuation analysis. Long‐memory stochastic processes were found to govern the response of the adherent cells displayed in both F‐QCM and ECIS micromotion measurements, with variance analysis of QCM frequency fluctuations providing the strongest correlation to classical Boyden invasion assays. Furthermore, we studied the impact of small molecule inhibitors on the dynamics of the cytoskeleton: effects of cytochalasin D, phalloidin and blebbistatin as well as taxol, nocodazol and colchicin were quantified by detecting changes in the noise pattern. We were able to identify actin‐ polymerization as well as microtubule depolymerization to be the main contributors of viscoelastic or impedimetric fluctuations.rnAs a second project, a comprehensive interfacial analysis enabled us to record both adhesion and desorption processes and cell‐cell contacts degradation upon nanoparticles application. We followed cell‐substrate dynamics via micromotility and viscoelastic fluctuations as a measure for nanotoxicity, related to shape, functionalization, intracellular stability and charge of particles.rnIn summary, the novel real time biosensor approach based on fluctuation analysis of acoustic and impedimetric readouts of F‐QCM and ECIS displays a high cellular specifity and sensitivity for the dynamics of the cellular cytoskeleton and may serve also as a very sensitive measure for cellular viability.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1626
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-21775
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	163 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen