BioMicroSens 
Charakterisierung biologischer Zellen mit Mikrowellen-Nahfeldsensoren

Ein alternatives Verfahren zur Charakterisierung von Zellen ist die Impedanzspektroskopie. Diese Methode beruht auf der Interaktion zwischen elektromagnetischen Wellen und biologischen Zellen und kann zerstörungsfrei versuchsbegleitend eingesetzt werden. Allerdings sind die Untersuchungsergebnisse derzeit schwieriger zu interpretieren als bei den Standardverfahren. Von ähnlichen Messungen im Mikrowellenbereich versprechen sich die Forscher Informationen über den inneren Zustand der untersuchten Zellen.

Am Institut für Hochfrequenztechnik (IHF) der TUHH wurde ein entsprechendes Sensorsystem entwickelt. In der Kooperation zwischen dem IHF und der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie am UKE wurde dieses Sensorsystem mittels neuer Technologieansätze für den Einsatz in der Tumordiagnostik weiterentwickelt.

Die Charakterisierung biologischer Zellen im Mikrowellenbereich wurde in den letzten Jahren von verschiedenen Forschergruppen untersucht. Der Grundgedanke dabei ist, dass sich Unterschiede auf biologischer Ebene in einer Änderung der Permittivität niederschlagen, welche wiederum im Mikrowellenfrequenzbereich gemessen werden kann. Im Gegensatz zur Impedanzspektroskopie bei niedrigen Frequenzen kann im Mikrowellenbereich in ionischen Lösungen gemessen werden, da die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bei höheren Frequenzen keinen großen Einfluss hat. Somit können Zellen in einer natürlichen Umgebung wie einer Nährlösung untersucht werden, gegebenenfalls auch parallel zur Kultivierung. Des Weiteren kann man bei höheren Frequenzen mit den elektromagnetischen Feldern in das Innere der Zellen eindringen. So kann potentiell eine Aussage über den Zustand der Zelle gemacht werden, nicht nur über Form und Größe. Im Gegensatz zu Fluoreszenzmessungen, bei denen bestimmte Zelleigenschaften optisch sichtbar gemacht werden, können die Messungen im Mikrowellenfrequenzbereich jedoch ohne jegliche Marker durchgeführt werden und gelten daher als nicht-invasiv. Ziel dieses Projektes war, ein bestehendes Sensorsystem so zu miniaturisieren, dass Messungen an einzelnen Zellen ermöglicht werden.

Spezielle Herausforderungen lagen in der
• Miniaturisierung der Messspitze und Design eines mikrofluidischen Kanals zur Zellpositionierung
• Weiterentwicklung des Designs unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften der verwendeten Technologien
• Anpassung der Empfindlichkeit des Sensors
• Entwicklung einer Mikrofluidischen Falle für Einzelzellmessungen und der Testung der Funktionalität der Aufbauten mit bekannten Zelllinien.

Basierend auf den Ergebnissen der ersten Versuche mit einzelnen Zellen waren weitere Messreihen mit medizinisch relevanten Zellen geplant.

Um einzelne Zellen untersuchen zu können, werden Auflösungen im Bereich weniger Mikrometer benötigt. Hierfür wurden im Laufe des Projektes verschiedene Technologien angesetzt.

Mit den getesteten Technologien war es möglich, Einzelzellmessungen durchzuführen und signifikante Kontraste zum Nährmedium zu detektieren. Forschungsrelevante Ergebnisse konnten erzielt und veröffentlicht werden. Leider war aufgrund der Schwierigkeiten bei der Positionierung ein medizinisch relevanter Vergleich zweier unterschiedlicher Zelllinien nicht möglich.