Schmidt, Sönke (2021)
Mikrowellen-Dielektrometrie hochresistenter Biofilme und mikrowelleninduzierte Membranporation.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017379
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mikrowellenbasierten Analyse und Manipulation biologischer Zellen sowie der dazu notwendigen Messtechnik. Die dielektrische Charakterisierung biologischer Substanzen kann Aufschluss über Konzentrationen, Anomalien oder Reaktionen von Experimenten geben. Eine besondere Rolle nimmt dabei die frequenzabhängige Permittivität von Zellen ein. Die Zellmembran weist ein Hochpassverhalten auf und wird somit spektroskopisch betrachtet mit steigender Frequenz zunehmend transparent. Dementsprechend dominieren bei niedrigen Frequenzen die Eigenschaften der Membran, im Mikrowellenbereich dagegen die des Zytoplasmas. Dies ermöglicht eine nicht-invasive, kontaminations- und markerfreie Analyse des Zellinneren. Potentiell kann diese Methode für zukünftige, integrierte Plattformen, sogenannte Lab-On-A-Chip, verwendet werden. Dies ist von großer Bedeutung, da Lab-On-A-Chip gerade im Hinblick auf die sogenannte Point-Of-Care-Diagnose das Potential attestiert wird, die medizintechnische Praxis maßgeblich zu verändern. Dafür bedarf es unter anderem einer präzisen Kalibrierung, um die minimalen Änderungen der komplexen Permittivität mit Hilfe von Streuparametermessungen in einem mikrofluidischen System eindeutig und wiederholbar ermitteln zu können. Hierfür wird ein Schema demonstriert, das nur auf der Vorwärtstransmission S_21 einer Streuparametermessung basiert. Es handelt sich dabei um eine Formulierung, die ohne weitere Informationen, etwa aus Vollwellensimulationen oder Messungen gesonderter Strukturen, auskommt. Stattdessen genügt für diese inline-Kalibrierung die Messung dreier Referenzflüssigkeiten. Die Validierung in einem Frequenzbereich von 10MHz bis 40 GHz zeigt das Potential Permittivitäten von Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Kanal mit einem kleinen relativen Fehler von < 0,7 % zu messen. Neben den rein messtechnischen Herausforderungen hat die vorliegende Arbeit den Anspruch, das Potential der Mikrowellentechnik im interdisziplinären Forschungsfeld anhand von relevanten biologischen Fragestellung zu validieren. Aus diesem Grund wird die Mikrowellen-Dielektrometrie erstmals angewendet, um bei fünftägigen Langzeitmessungen in einem Frequenzbereich von 10MHz bis 26,5 GHz im mikrofluidischen System hochresistente Biofilme zu überwachen. Dabei wird gezeigt, dass der Metabolismus, das Wachstum sowie die Inaktivierung durch ein Antibiotikum detektierbar sind. Als Erweiterung zur reinen Überwachung von biologischen und pathologischen Experimenten wird anhand der in der Forschung aktuell diskutierten mikrowelleninduzierten Membranporation die Manipulation der Zellmembran durch das elektrische Feld demonstriert. Dabei werden exogene Moleküle durch eine temporäre, reversible Permeabilisierung der Zellmembran dauerhaft eingeschleust. Erstmals wird dieser Vorgang mit optischen Daten und simultan ermittelten dielektrischen Messungen korreliert. Es wird gezeigt, dass ab einem Grenzwert von 100 V/cm bei 18 GHz der Effekt der Membranporation eintritt. Die Permeabilisierung ist dabei eindeutig durch eine Veränderung der Permittivität detektierbar. Eine thermische Analyse zeigt, dass der Effekt nicht temperaturinduziert ist. Dabei scheint das Verfahren weder durch den Zelltyp noch durch die einzubringenden relevanten Substanzen limitiert zu sein.

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