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The metabolic activity of Chinese hamster ovary (CHO) cells was observed using a light-addressable potentiometric sensor (LAPS). The dependency toward different glucose concentrations (17–200 mM) follows a Michaelis–Menten kinetics trajectory with Kₘ = 32.8 mM, and the obtained Kₘ value in this experiment was compared with that found in literature. In addition, the pH shift induced by glucose metabolism of tumor cells transfected with the HPV-16 genome (C3 cells) was successfully observed. These results indicate the possibility to determine the tumor cells metabolism with a LAPS-based measurement device.
Online-Messsysteme für die automatisierte Charakterisierung von feldeffektbasierten Biosensoren
(2007)
Growth and metabolism of CHO-cells in porous glass carriers / Lüllau, E. ; Biselli, M. ; Wandrey, C.
(1994)
"Biologie trifft Mikroelektronik", das Motto des Instituts für Nano- und Biotechnologien (INB) an der FH Aachen, unterstreicht die zunehmende Bedeutung interdisziplinär geprägter Forschungsaktivitäten. Der thematische Zusammenschluss grundständiger Disziplinen, wie die Physik, Elektrotechnik, Chemie, Biologie sowie die Materialwissenschaften, lässt neue Forschungsgebiete entstehen, ein herausragendes Beispiel hierfür ist die Nanotechnologie: Hier werden neue Werkstoffe und Materialien entwickelt, einzelne Nanopartikel oder Moleküle und deren Wechselwirkung untersucht oder Schichtstrukturen im Nanometerbereich aufgebaut, die neue und vorher nicht bekannte Eigenschaften hervorbringen.
Vor diesem Hintergrund bündelt das im Jahre 2006 gegründete INB die an der FH Aachen vorhandenen Kompetenzen von derzeit insgesamt sieben Laboratorien auf den Gebieten der Halbleitertechnik und Nanoelektronik, Nanostrukturen und DNA-Sensorik, der Chemo- und Biosensorik, der Enzymtechnologie, der Mikrobiologie und Pflanzenbiotechnologie, der Zellkulturtechnik, sowie der Roten Biotechnologie synergetisch. In der Nano- und Biotechnologie steckt außergewöhnliches Potenzial! Nicht zuletzt deshalb stellen sich die Forscher der Herausforderung, in diesem Bereich gemeinsam zu forschen und Schnittstellen zu nutzen, um so bei der Gestaltung neuartiger Ideen und Produkte mitzuwirken, die zukünftig unser alltägliches Leben verändern werden.
Im Folgenden werden die verschiedenen Forschungsbereiche kurz zusammenfassend vorgestellt und vorhandene Interaktionen anhand von exemplarisch ausgewählten, aktuellen Forschungsprojekten skizziert.
A new microfluidic assembly method for semiconductor-based biosensors using 3D-printing technologies was proposed for a rapid and cost-efficient design of new sensor systems. The microfluidic unit is designed and printed by a 3D-printer in just a few hours and assembled on a light-addressable potentiometric sensor (LAPS) chip using a photo resin. The cell growth curves obtained from culturing cells within microfluidics-based LAPS systems were compared with cell growth curves in cell culture flasks to examine biocompatibility of the 3D-printed chips. Furthermore, an optimal cell culturing within microfluidics-based LAPS chips was achieved by adjusting the fetal calf serum concentrations of the cell culture medium, an important factor for the cell proliferation.
In der biopharmazeutischen Industrie werden rekombinante Proteine und monoklonale Antikörper in Zellkulturfermentationen produziert, da nur humane oder tierische Zelllinien über die Fähigkeit der Glykosylierung verfügen. Um hohe Produktausbeuten in ausgezeichneter Qualität zu erzielen, ist eine funktionstüchtige Prozesskontrolle unerlässlich. Hierzu wurde in Kooperation mit der Firma Hitec Zang GmbH die HiSense Präzisionsabgasanalytik entwickelt, die auf Basis der vollautomatischen Ermittlung des Respirationsquotienten (RQ; Verhältnis vonKohlendioxidbildungsrate (CER) zu Sauerstoffaufnahmerate (OTR)) einen Fermentationsprozess nicht-invasiv überwacht. Der RQ kann in Hybridoma- und CHO-Zellen (s. Abb.) in sowohl serumhaltigen als auch serumfreien Medien erfolgreich ermittelt werden. Hier spiegeln die CER und die OTR das Wachstumsverhalten der kultivierten CHO-Zellen wider. Der RQ nimmt dabei Werte zwischen 0,9 und 1,2 an. Dies lässt auf verschiedene Stoffwechselaktivitäten schließen. Da die momentane industrielle Prozesskontrolle auf gemessenen Sauerstoffaufnahmeraten oder entsprechende Offline-Analytiken der Metaboliten basieren, soll durch die vollautomatische RQ-Ermittlung ein neues Verfahren zur Fermentationsüberwachung etabliert werden. Bisher war diese, in bakteriellen Kultivierungen standardisierte Methode, aufgrund der schwierigen CER-Berechnung bei Zellkulturen keine adäquate Alternative.
A microfluidic chip integrating amperometric enzyme sensors for the detection of glucose, glutamate and glutamine in cell-culture fermentation processes has been developed. The enzymes glucose oxidase, glutamate oxidase and glutaminase were immobilized by means of cross-linking with glutaraldehyde on platinum thin-film electrodes integrated within a microfluidic channel. The biosensor chip was coupled to a flow-injection analysis system for electrochemical characterization of the sensors. The sensors have been characterized in terms of sensitivity, linear working range and detection limit. The sensitivity evaluated from the respective peak areas was 1.47, 3.68 and 0.28 μAs/mM for the glucose, glutamate and glutamine sensor, respectively. The calibration curves were linear up to a concentration of 20 mM glucose and glutamine and up to 10 mM for glutamate. The lower detection limit amounted to be 0.05 mM for the glucose and glutamate sensor, respectively, and 0.1 mM for the glutamine sensor. Experiments in cell-culture medium have demonstrated a good correlation between the glutamate, glutamine and glucose concentrations measured with the chip-based biosensors in a differential-mode and the commercially available instrumentation. The obtained results demonstrate the feasibility of the realized microfluidic biosensor chip for monitoring of bioprocesses.