Die vorgelegte Doktorarbeit stellt ein 3D-Zellkultursystem mit einem vollautomatisierten analytischen, biochemischen Assay und vollautomatisierter Kultivierung mit Mediumwechsel vor. Dieses integrierte Kultivierungs- und Analysesystem wurde in dieser Arbeit mit 3D-Hepatozytenkulturen in Polycarbonat-MatriGrid®-Gerüsten für das 3D-Wachstum von Zellkulturen prototypisiert. Das System perfundiert MatriGrid- Kulturen kontinuierlich mit Wirkstoff-ergänztem Medium und führt bei Bedarf eine Bewertung der Wirkstofftoxizität durch Beobachtung und Messung der Konzentration eines Indikators, des Biomarkers Albumin, durch. Das System kann die MatriGrid-Kultur mit unterschiedlichen Flussraten perfundieren, automatisierte Medienwechsel durchführen und mit dem mitgelieferten ELISA-Modul Proben des zu analysierenden Kulturmediums nach Bedarf untersuchen. Das System unterstützt die parallele Kultivierung von Zellen in mehreren Bioreaktoren. Das Fluidnetzwerk wurde aus Materialien konstruiert, die wenig Proteine und kleine Moleküle binden, absorbieren oder adsorbieren, um seine Anwendung für niedrige Biomarkerkonzentrationen und Langzeitexperimente zu erweitern. Die Doktorarbeit beschreibt das Systemdesign, den Aufbau, das Testen und die Verifikation unter Verwendung von 3D-gewachsenen HepaRG-Zellkulturen. Die zeitabhängige Wirkung von APAP auf die Albuminsekretion wurde über 96 h untersucht, wobei sowohl mit dem neu entwickelten System als auch konventionell in Mikrotiterplatten, gemessen wurde. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse vergleichbar sind. Dieses Resultat belegt die Verwendung des Systems als eigenständiges Gerät, das in Echtzeit arbeitet und in der Lage ist, gleichzeitig Zellkultur- und Mediumanalyse in mehreren Bioreaktoren durchzuführen, mit erhöhter Zuverlässigkeit der 3D-Kultivierung, in einfacher Handhabung und Messung. Auf diese Weise soll das neu entwickelte 3D-Zellkultivierungs- und Analysesystem 3DZellkultivierungstechniken und -experimente für weitere Forschungsgruppen bekannt machen.
This thesis presents a 3D cell culturing system with a fully automated analytic biochemistry assay and fully automated culturing with medium change. This integrated culturing and analytic system was prototyped in this work with 3D hepatocyte cultures in polycarbonate MatriGrid® scaffolds for 3D growth of cell cultures. The system continuously perfuses MatriGrid cultures with drug supplemented medium and performs, on demand, drug toxicity evaluation by observing and measuring the amount of an indicator, the biomarker albumin. The system can perfuse the MatriGrid cultures using different flow rates, performs automated medium changes and can make on-demand samples of the culture medium to be analyzed with the included ELISA module. The system supports parallel culturing of cells in multiple bioreactors. The fluidic network was constructed from low protein and small molecules binding, absorbing or adsorbing materials to extend its application for low biomarker concentration and long-term experiments. The thesis describes the system design, construction, testing, and verification using 3D-grown HepaRG cell cultures. The time-dependent effect of APAP on albumin secretion over 96 h, measured with newly developed system and conventional microtitre plates was measured and the results are comparable. These results confirm the use the system as a standalone device that works in real time and is capable of simultaneous cell culture and medium analysis in multiple bioreactors, with increased reliability of 3D-culturing, ease of handling and measurement. This way the newly developed 3D cell culturing and analysis system is aimed to promote 3D cell culturing techniques and experimentation to more research groups.
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