Characterisation of the cell-transistor coupling

Die Verbindung von elektrisch aktiven, lebenden Zellen zu extrazellulären Sensorsystemen eröffnet vielfälige Möglichkeiten im Bereich der Biosensorik. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum tieferen Verständnis der elektrischen Kopplungsmechanismen zwischen den biologischen und elektronischen Teilen solcher Hybridsysteme. Es wurden dazu drei Hauptbereiche bearbeitet:Ein System zur extrazellulären Signalableitung an lebenden Zellen bestehend aus einem Sensorchip, einem Vorverstärkerkopf und einem Hauptverstärker wurde weiterentwickelt.Als Sensoren wurden entweder Metallmikroelektroden-Chips mit 64 Kanälen oder Feldeffekt Transistoren-Chips mit 16 Kanälen (FET) eingesetzt. Es wurden zusätzlich spezielle FET Sensoren mit Rückseitenkontakten hergestellt und eingesetzt.Die elektrische Kopplung von einzelnen Nervenzellen der neuronalen Zell-Linien SH-SY5Y und TR14 oder primär kultivierten Neuronen aus dem Hirnstamm oder dem Hippocampus von embryonalen Ratten mit den extrazellulären Sensoren wurde untersucht. In der 'whole-cell' Patch-Clamp Technik wurden die Beiträge der spannungsgesteuerten Na+- und K+-Ionenkanäle zur extrazellulären Signalform identifiziert. Die Simulation der Signale mit einem Ersatzschaltkreis (Punkt-Kontakt Modell), der in PSPICE implementiert wurde, deutet auf eine starke Abhängigkeit der Signalformen in bezug auf Konzentrationsänderungen von Na+- und K+-Ionen im Volumenbereich zwischen Zelle und den ionensensitiven Transistoren hin. Ein empirisch erweitertes Punkt-Kontakt Modell wurde daraufhin vorgestellt.Im dritten Teil der Arbeit wurden Zellschichten von Kardiomyocyten embryonaler Ratten auf den extrazellulären Sensoren kultiviert. Die Eignung eines solchen Hybridsensors als Modellherz fuer das pharmazeutische Screeing wurde durch Messungen mit Herzstimulanzien und -relaktanzien bestätigt.

The linkage of electrical active cells to extracellular sensor systems offers manifold potentialities in biosensor development. The current work contributes to a deeper understanding of the electrical coupling mechanisms between the biological and electronic parts of such hybrid systems.Three different subjects had been addressed:A system for extracellular recording with living cells existing of a sensor chip, a preamplifier headstage and a main amplifier unit was further developed. As extracellular sensors either metal-microelectrodes containing 64 channels or field-effect transistors (FET) containing 16 channels were used. In addition special designed FET sensors with backside contacts were developed and used. The electrical coupling of neuronal cells from the cell lines SH-SY5Y and TR14 or primary cultured neurons from the hippocampus and brainstem regions of embryonic rats to the extracellular sensors were investigated. Using the whole-cell patch-clamp technique the contributions of the voltage-gated Na+- and K+-ion-channels to the extracellular signal shape were identified. The simulation of the signals with an electrical simulation circuit (Point-Contact-Model) implemented in PSPICE indicated a strong dependency of the signal shapes on ion-concentration changes in the cleft between cells and ion-sensitive transistor. An empirical extension of the standard Point-Contact-Model taking these effects into account was introduced.In the third part of this thesis layers of embryonic rat cardiac myocytes were cultured on the sensor surfaces. The applicability of such hybrid sensors as 'model heart' for pharmaceutical screening was confirmed by application of standard cardiac stimulants and relaxants.