Detektion neuroaktiver Substanzen durch Modifikation des Aktivitätsmusters neokortikaler Netzwerke auf Multielektrodenarrays – Charakterisierung und Optimierung eines neuronalen Biosensors

In dieser Arbeit wurden kortikale neuronale Netzwerke auf Multielektrodenarrays auf ihre Tauglichkeit als zellbasiertes Biosensorsystem untersucht. Der Schwerpunkt der pharmakologischen Untersuchungen an den ausgereiften kortikalen Netzwerken lag auf dem Einsatz von Substanzen, welche auf den GABAA-Rezeptor einwirken. Die Modifikation des spontan generierten Aktivitätsmusters ließ dabei Rückschlüsse auf die Wirksamkeit und den Wirkungsmechanismus der Testsubstanzen zu. Ferner war in den meisten Fällen eine Diskriminierung der auf den gleichen Rezeptor einwirkenden Substanzen möglich. Die Analyse der Spikerate und verschiedener auf Bursts beruhender Messparameter machte deutlich, dass die Burstrate bei den extrazellulären Ableitungen auf Netzwerkebene den sensitivsten und verlässlichsten Parameter zum Nachweis der Substanzeffekte darstellte. Durch die Verwendung kortikaler Netzwerke unter optimierten Kulturbedingungen und einer auf das System abgestimmten Analysesoftware konnte die Reproduzierbarkeit und Sensitivität im Vergleich zu anderen Studien deutlich verbessert werden. Um die extrazelluläre Signalableitung von einer möglichst geringen Zellanzahl und damit einem überschaubaren zellulären Netzwerk auf Multielektrodenarrays zu ermöglichen, wurden die Oberflächeneigenschaften der Substrate so modifiziert, dass die Lokalisation der Zellsomata und das Auswachsen der Neurite einer geometrischen Kontrolle unterlag. Die kontrollierte Substratbeschichtung des Adhäsionspromotors Poly-D-Lysin in einem triangulären Muster konnte dabei durch die Methode des Mikrokontaktstempelns realisiert werden. Durch das kontrollierte Zellwachstum konnte die extrazelluläre Ableitung von Netzwerken einer geringen Zelldichte über einen Zeitraum von mehreren Wochen ermöglicht werden. Die Untersuchung struktureller und morphogenetischer Eigenschaften, sowie elektrophysiologische Untersuchungen der strukturierten Netzwerke bewiesen, dass die kontrollierte Substratbeschichtung sich nicht negativ auf das Wachstum, die Synaptogenese und die Funktionalität auswirkte.

Interaktive Netzwerke zur Regulation des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs bei Dictyostelium discoideum

Die Signaltransduktion in niederen und höheren Zellen gehört zu einem der intensivst beforschten, molekularen Mechanismen. Wie gelangt ein externer Stimulus in die Zelle, bzw. wie wird das entsprechende Signal von der Zelloberfläche in das Zellinnere übertragen? Welche Proteine, die in die Signaltransduktion involviert sind, benötigt die Zelle um auf diesen Stimulus zu reagieren – und wie reagiert die Zelle letztendlich auf dieses extrazelluläre Signal? In den letzten Jahren wurde deutlich, dass diese interaktiven Netzwerke hochkomplex sind und für die molekularbiologische Forschung nur dann einsehbar werden, wenn gezielt Mutanten hergestellt werden, die z.B. Rezeptoren oder interzelluläre Komponenten nicht mehr vorweisen können. Die Erforschung der Signaltransduktionsprozesse ist mittlerweile aus den Laboren der Grundlagenforschung auch in die molekularbiologischen Labors der pharmazeutischen Forschung übertragen worden. Aktuell wurden in den letzten Jahren mehrere Substanzen entwickelt, die z.B. für die Bekämpfung von bösartigen Tumoren geeignet sind, und diese Substanzen zeichnen sich dadurch aus, dass sie Komponenten der Signaltransduktion blockieren, bzw. Botenstoffe der Neoangiogenese aus dem Serum entfernen und so den Tumor „aushungern“. In Dictyostelium discoideum sind bereits zahlreiche Signaltransduktionskomponenten beschrieben worden und es finden sich die bekannten Systeme, wie z.B. Transmembranrezeptoren, G-Proteine oder ras-Proteine, die man aus anderen Organismen kennt wieder. Auch MAP-Kinase-Kaskaden sind vorhanden und verschiedene extrazelluläre Signalstoffe, wie z.B. cAMP, PSF oder CMF sind bekannt und teilweise charakterisiert. Dictyostelium discoideum eignet sich aus diesen Gründen und aus Gründen der biochemischen und zellbiologischen Verfügbarkeit dazu, Prozesse der Signalerkennung und deren Weiterleitung zu den Effektorproteinen zu erforschen. Das Primärziel dieser Arbeit war es, möglichst eine neue Komponente in einem der bereits bekannten Signalwege der Discoidin-Regulation durch Mutagenesen zu zerstören, um diese anschließend beschreiben und charakterisieren zu können.Dazu wurde die sog. REMI-Mutagenese am neu gegründeten Labor der Universität Kassel etabliert und ferner die Zellkulturtechnik von D. discoideum für den Routineeinsatz eingearbeitet. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Arbeit war das Screening bereits bekannter Zellinien, die durch einen auffälligen Phänotyp nach einer Mutagenese isoliert worden waren. Dieses Screening sollte mit Western-blot-Analysen des sog. Discoidin-Proteins durchgeführt werden. Zusätzlich sollten neue Methoden entwickelt werden, die es möglich machen die Interaktionen während des vegetativen Wachstums vom Dictyostelium in Klebsiella-Suspension zu beschreiben.

Matrix metalloproteinase biosensor based on a porous silicon reflector

Matrix metalloproteinases (MMPs) are proteolytic enzymes important to wound healing. In non-healing wounds, it has been suggested that MMP levels become dysfunctional, hence it is of great interest to develop sensors to detect MMP biomarkers. This study presents the development of a label-free optical MMP biosensor based on a functionalised porous silicon (pSi) thin film. The biosensor is fabricated by immobilising a peptidomimetic MMP inhibitor in the porous layer using hydrosilylation followed by amide coupling. The binding of MMP to the immobilised inhibitor translates into a change of effective optical thickness (EOT) over the time. We investigate the effect of surface functionalisation on the stability of pSi surface and evaluate the sensing performance. We successfully demonstrate MMP detection in buffer solution and human wound fluid at physiologically relevant concentrations. This biosensor may find application as a point-of-care device that is prognostic of the healing trajectory of chronic wounds.

Electrochemical current rectification – a novel signal amplification strategy for highly sensitive and selective aptamer-based biosensor

Electrochemical aptamer-based (E-AB) sensors represent an emerging class of recently developed sensors. However, numerous of these sensors are limited by a low surface density of electrode-bound redox-oligonucleotides which are used as probe. Here we propose to use the concept of electrochemical current rectification (ECR) for the enhancement of the redox signal of E-AB sensors. Commonly, the probe-DNA performs a change in conformation during target binding and enables a nonrecurring charge transfer between redox-tag and electrode. In our system, the redox-tag of the probe-DNA is continuously replenished by solution-phase redox molecules. A unidirectional electron transfer from electrode via surface-linked redox-tag to the solution-phase redox molecules arises that efficiently amplifies the current response. Using this robust and straight-forward strategy, the developed sensor showed a substantial signal amplification and consequently improved sensitivity with a calculated detection limit of 114 nM for ATP, which was improved by one order of magnitude compared with the amplification-free detection and superior to other previous detection results using enzymes or nanomaterials-based signal amplification. To the best of our knowledge, this is the first demonstration of an aptamer-based electrochemical biosensor involving electrochemical rectification, which can be presumably transferred to other biomedical sensor systems.

Reproducible and label-free biosensor for the selective extraction and rapid detection of proteins in biological fluids

Erythropoietin (EPO), a glycoprotein hormone of ∼34 kDa, is an important hematopoietic growth factor, mainly produced in the kidney and controls the number of red blood cells circulating in the blood stream. Sensitive and rapid recombinant human EPO (rHuEPO) detection tools that improve on the current laborious EPO detection techniques are in high demand for both clinical and sports industry. A sensitive aptamer-functionalized biosensor (aptasensor) has been developed by controlled growth of gold nanostructures (AuNS) over a gold substrate (pAu/AuNS). The aptasensor selectively binds to rHuEPO and, therefore, was used to extract and detect the drug from horse plasma by surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). Due to the nanogap separation between the nanostructures, the high population and distribution of hot spots on the pAu/AuNS substrate surface, strong signal enhancement was acquired. By using wide area illumination (WAI) setting for the Raman detection, a low RSD of 4.92% over 150 SERS measurements was achieved. The significant reproducibility of the new biosensor addresses the serious problem of SERS signal inconsistency that hampers the use of the technique in the field. The WAI setting is compatible with handheld Raman devices. Therefore, the new aptasensor can be used for the selective extraction of rHuEPO from biological fluids and subsequently screened with handheld Raman spectrometer for SERS based in-field protein detection.

Electrochemical detection of benzo(a)pyrene and related DNA damage using DNA/hemin/nafion-graphene biosensor

A novel electrochemical biosensor, DNA/hemin/nafion–graphene/GCE, was constructed for the analysis of the benzo(a)pyrene PAH, which can produce DNA damage induced by a benzo(a)pyrene (BaP) enzyme-catalytic product. This biosensor was assembled layer-by-layer, and was characterized with the use of cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and atomic force microscopy. Ultimately, it was demonstrated that the hemin/nafion–graphene/GCE was a viable platform for the immobilization of DNA. This DNA biosensor was treated separately in benzo(a)pyrene, hydrogen peroxide (H2O2) and in their mixture, respectively, and differential pulse voltammetry (DPV) analysis showed that an oxidation peak was apparent after the electrode was immersed in H2O2. Such experiments indicated that in the presence of H2O2, hemin could mimic cytochrome P450 to metabolize benzo(a)pyrene, and a voltammogram of its metabolite was recorded. The DNA damage induced by this metabolite was also detected by electrochemical impedance and ultraviolet spectroscopy. Finally, a novel, indirect DPV analytical method for BaP in aqueous solution was developed based on the linear metabolite versus BaP concentration plot; this method provided a new, indirect, quantitative estimate of DNA damage.

Analysis of integrated optofluidic lab-on-a-chip fluorescence biosensor based on transmittance of light through a fluidic gap

Sensitivity analysis is an important aspect to be looked into while designing lab-on-a-chip systems. In this paper we will be showing with appropriate design that the best sensitivity of the fluorescence biosensor is achieved for an optimal width of fluidic gap, corresponding to a particular mode spot size. We will be also showing that the sensitivity of the biosensor is affected by efficiency of light coupling, which is influenced by changes in the width of fluidic gap, refractive index of the fluid and higher order modes.

Growth of Polypyrrole-Horseradish Peroxidase Microstructures for H2O2 Biosensor

Conducting polymer microstructures for enzymatic biosensors are developed by a facile electrochemical route. Horseradish peroxide (HRP)-entrapped polypyrrole (PPy) films with bowl-shaped microstructures are developed on stainless steel (SS 304) substrates by a single-step process. Potentiodynamic scanning/cyclic voltammetry is used for generation of PPy microstructures using electrogenerated oxygen bubbles stabilized by zwitterionic surfactant/buffer N-2-hydroxyethylpiperazine N-2-ethanesulfonic acid as soft templates. Scanning electron microscopic images reveal the bowl-shaped structures surrounded by cauliflower-like fractal PPy films and globular nanostructures. Raman spectroscopy reveals the oxidized nature of the film. Sensing properties of PPy-HRP films for hydrogen peroxide (H2O2) are demonstrated. Electrochemical characterization of the sensor films is done by linear sweep voltammetry (LSV) and amperometry. LSV results indicated the reduction of H2O2 and linearity in response of the sensing film. The amperometric biosensor has a performance comparable to those in the literature with advantages of hard-template free synthesis procedure and a satisfactory sensitivity value of 12.8 mu A/(cm(2) . mM) in the range of 1-10 mM H2O2.

Sensitivity analysis based on mode mismatch for an optofluidic lab on a chip biosensor

In this paper we will be presenting the effect of fluidic gap, the effect of change of refractive index of the fluid contained in the gap, and the effect of higher order modes on the efficiency of light coupling and thus on the on the sensitivity of the sensor.

Sensitivity analysis based on Mode Mismatch for an optofluidic lab on a chip biosensor

In this paper we will be presenting the effect of fluidic gap, the effect of change of refractive index of the fluid contained in the gap, and the effect of higher order modes on the efficiency of light coupling and thus on the on the sensitivity of the sensor.