TY - BOOK

T1 - Design und Herstellung von 3D-gedruckten Microfluidics für den Einsatz in der Zellkulturtechnik

AU - Enders, Anton

N1 - Dissertation

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Die transiente Transfektion wird genutzt, um genetisches Material in Säugerzellen zu transportieren. Die Besonderheit liegt darin, dass die genetische Information nicht in das Genom der Wirtszellen integriert wird. Dadurch können mit diesem Transfektionsverfahren innerhalb weniger Tage kleine Proteinmengen produziert werden. Allerdings wird die eingebrachte genetische Information bei der Zellteilung nicht kopiert und auf die Tochterzellen verteilt, sodass sie mit der Zeit verloren geht. Diese Transfektionsmethode wird daher eingesetzt, wenn nur geringe Proteinmengen schnell hergestellt werden müssen, beispielsweise in vorklinischen Untersuchungen der Biopharmazeutikaentwicklung oder im akademischen Umfeld. In dieser Arbeit wurde ein mikrofluidisches System entwickelt, das die Schritte der transienten Transfektion automatisiert. Dafür wurden die unterschiedlichen Elemente des Gesamtsystems – ein Mikromischer, eine Inkubationseinheit und ein Spiralseparator zur Zellseparation – einzeln entwickelt, mittels hochauflösendem 3D-Druck hergestellt und charakterisiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene Mikromischerdesigns aus der Literatur mittels 3D- Druck hergestellt und miteinander verglichen. Hierbei wurde die Effektivität der Mischer in Bezug auf ihre Länge bzw. ihr Volumen bei unterschiedlichen Flussraten bewertet und untersucht, ob die Mischer einen Einfluss auf die Viabilität der CHO-Zellen (chinesische Hamsterovarienzellen) haben. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein mikrofluidischer Spiralseparator entwickelt und charakterisiert, um die Zellen nach der Transfektion von den toxischen Transfektionschemikalien zu trennen. Das entwickelte System erlaubt durch eine Pumpe an einem der zwei Ausgänge der Separationsspirale das Einstellen der Separationseffizienz von über 95 % bei Zellkonzentrationen von bis zu 20 · 106 Zellen mL-1. Im dritten Teil der Arbeit wurde zunächst ein kleineres mikrofluidisches Transfektionssystem entwickelt, in dem ca. 5 mL Zellsuspension transfiziert werden konnte. In dem System wurden die Zellen mit DNA und dem Transfektionsdetergens PEI (Polyethylenimin) mit einem integrierten Mikromischer durchmischt und anschließend für eine bestimmte Zeit inkubiert, bis die transfizierten Zellen in neues Medium überführt wurden. Ziel war es, die optimale Inkubationszeit zu bestimmen. In einem weiteren Schritt wurde ein kontinuierliches Gesamtsystem mit einem Mikromischer, einer Inkubationseinheit und einem Spiralseparator entwickelt, welches computergesteuert CHO-Zellen transfizieren kann. In ersten Transfektionsversuchen konnten mit dem System Transfektionseffizienzen erzielt werden, die mit der klassischen, manuell durchgeführten Methode vergleichbar sind.

AB - Die transiente Transfektion wird genutzt, um genetisches Material in Säugerzellen zu transportieren. Die Besonderheit liegt darin, dass die genetische Information nicht in das Genom der Wirtszellen integriert wird. Dadurch können mit diesem Transfektionsverfahren innerhalb weniger Tage kleine Proteinmengen produziert werden. Allerdings wird die eingebrachte genetische Information bei der Zellteilung nicht kopiert und auf die Tochterzellen verteilt, sodass sie mit der Zeit verloren geht. Diese Transfektionsmethode wird daher eingesetzt, wenn nur geringe Proteinmengen schnell hergestellt werden müssen, beispielsweise in vorklinischen Untersuchungen der Biopharmazeutikaentwicklung oder im akademischen Umfeld. In dieser Arbeit wurde ein mikrofluidisches System entwickelt, das die Schritte der transienten Transfektion automatisiert. Dafür wurden die unterschiedlichen Elemente des Gesamtsystems – ein Mikromischer, eine Inkubationseinheit und ein Spiralseparator zur Zellseparation – einzeln entwickelt, mittels hochauflösendem 3D-Druck hergestellt und charakterisiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene Mikromischerdesigns aus der Literatur mittels 3D- Druck hergestellt und miteinander verglichen. Hierbei wurde die Effektivität der Mischer in Bezug auf ihre Länge bzw. ihr Volumen bei unterschiedlichen Flussraten bewertet und untersucht, ob die Mischer einen Einfluss auf die Viabilität der CHO-Zellen (chinesische Hamsterovarienzellen) haben. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein mikrofluidischer Spiralseparator entwickelt und charakterisiert, um die Zellen nach der Transfektion von den toxischen Transfektionschemikalien zu trennen. Das entwickelte System erlaubt durch eine Pumpe an einem der zwei Ausgänge der Separationsspirale das Einstellen der Separationseffizienz von über 95 % bei Zellkonzentrationen von bis zu 20 · 106 Zellen mL-1. Im dritten Teil der Arbeit wurde zunächst ein kleineres mikrofluidisches Transfektionssystem entwickelt, in dem ca. 5 mL Zellsuspension transfiziert werden konnte. In dem System wurden die Zellen mit DNA und dem Transfektionsdetergens PEI (Polyethylenimin) mit einem integrierten Mikromischer durchmischt und anschließend für eine bestimmte Zeit inkubiert, bis die transfizierten Zellen in neues Medium überführt wurden. Ziel war es, die optimale Inkubationszeit zu bestimmen. In einem weiteren Schritt wurde ein kontinuierliches Gesamtsystem mit einem Mikromischer, einer Inkubationseinheit und einem Spiralseparator entwickelt, welches computergesteuert CHO-Zellen transfizieren kann. In ersten Transfektionsversuchen konnten mit dem System Transfektionseffizienzen erzielt werden, die mit der klassischen, manuell durchgeführten Methode vergleichbar sind.

U2 - 10.15488/13194

DO - 10.15488/13194

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -