cellZscope E

cellZscope E

Unser brandneues Einstiegsmodell mit Upgrade-Option ist jetzt verfügbar. Das cellZscopeE überzeugt durch gewohnte Zuverlässigkeit und Qualität und schont dabei das Budget.


How are your cells today?

How are your cells today?

... finden Sie es heraus mit dem cellZscope

  • Automatisierte TER-Bestimmung von Zellschichten unter physiologischen Bedingungen
  • Komfortable Bedienung und Wartung
  • Kompatibel mit Standard-Zellkultureinsätzen

Funktionsweise...


cellZscope Modelle

cellZscopeE

cellZscope E

Das Einstiegsmodell unserer cellZscope Systeme

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cellZscope+

cellZscope +

Die neu überarbeitete Version des etablierten cellZscopes

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cellZscope2

cellZscope 2

Das High-End-cellZscope mit zusätzlichen Features

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Modellvergleich

  cellZscope E cellZscope + cellZscope 2
Ausgabeparameter TER TER, Ccl TER, Ccl
Kompatible Größen der Zellkultur Einsätze 6-/12-/24-well 6-/12-/24-well 6-/12-/24-well
Verschieden große Einsätze kombinierbar
Kompatibel mit Standard-Zellkultureinsätzen
Wesentliche Komponenten uneingeschränkt autoklavierbar
Anzahl Wells 6 24 24
Messintervall einstellbar  
Top Messgeschwindigkeit    
Dockingstation    

 

Funktionsweise

Barriere-bildende Gewebe

In mehrzelligen Organismen dienen epitheliale und endotheliale Zellschichten als funktionelle Barrieren und führen wichtige komplexe Aktivitäten aus. Die entsprechenden Zellschichten bilden selektiv durchlässige Grenzflächen zwischen Kompartimenten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Sie kontrollieren nicht nur die diffusive Permeation von gelösten Stoffen entlang von interzellulären Spalten zwischen benachbarten Zellen, sondern können auch aktiv Substanzen entlang transzellulärer Pfade transportieren. Schlüsselkomponenten von Epithel- und Endothelzellbarrieren sind die Verbindungspunkte zwischen benachbarten Zellen. Diese sog. Tight Junctions sind von besonderer Relevanz für die aktive Barrierefunktionalität der Zellschicht. Sie regulieren die Passage von Molekülen über die Barriere hinweg, und öffnen bzw. schließen sich selektiv als Reaktion auf verschiedene Signale von innen und außen.

 

cellZscope - Schematic Barrier Forming Cells

Epithel- und Endothelzellschichten bilden selektiv durchlässige Barrieren. Der Transport von Molekülen und Ionen von der apikalen zur basolateralen Seite und umgekehrt erfordert eine Passage entweder durch die Zellen (transzellulärer Weg/ transcellular route) oder zwischen den Zellen hindurch und somit durch die sog. Tight Junctions (parazellulärer Weg/ paracellular route).

Während die Barrierefunktion für eine Vielzahl von physiologischen Aktivitäten verantwortlich und damit für das korrekte Funktionieren des Organismus‘ von entscheidender Bedeutung ist, ist sie zugleich auch ein großes Hindernis bzw. Problem für bestimmte Arten der medizinischen Behandlung. Insbesondere für die gezielte Arzneimittelabgabe gilt: Um ein Medikament an den beabsichtigten Wirkort zu bringen, muss es diese Gewebebarrieren passieren.

Folglich besteht großes Interesse seitens der Grundlagenforschung, der pharmazeutischen Forschung und der Arzneimittelentwicklung daran, die Barrierefunktion von Epithel- und Endothelgewebe zu verstehen und zu kontrollieren. Von besonderer Relevanz ist es für die Medikation durch Arzneimittelabgabe über die Blut-Hirn-Schranke, Blutgefäße, Nasengewebe oder gastrointestinales Gewebe Methoden zu finden, diese Hürde gezielt zu überwinden. Daher sind adäquate In-vitro-Zellmodelle und Assays erforderlich - beispielsweise zur Identifizierung von Präparaten, die die Permeation von Medikamenten durch Gewebebarrieren reversibel erhöhen.

Grundsätzlich besteht eine direkte Korrelation zwischen der Permeabilität einer Zellschicht und ihrem elektrischen Widerstand, d.h. dem sogenannten transepithelialen / -endothelialen elektrischen Widerstand TER. Diese Tatsache kann die Grundlage für einen Assay bilden: dichte Zellschichten weisen einen hohen elektrischen Widerstand auf und umgekehrt korreliert eine hohe Permeabilität mit einem niedrigen elektrischen Widerstand. Daher ist der elektrische Widerstand, der über eine Zellschicht hinweg gemessen wird, ein hoch qualifizierter Parameter zur Quantifizierung der Dichtigkeit von Barriere-bildendem Gewebe. Folglich kann er herangezogen werden, um die Ausbildung oder Modulation von Barriere-bildenden Zell-zu-Zell-Kontakten zu vergleichen und zu überwachen.

Die Analyse der Eigenschaften einer Zellschicht mittels elektrischer Messungen ist nicht auf die Messung des elektrischen Widerstandes beschränkt, sondern kann durch Aufzeichnung der elektrischen Kapazität Ccl erweitert werden. Dieser Parameter liefert zusätzliche Informationen über die Eigenschaften der Zellschicht: insbesondere ist er ein Maß für die Ausbildung von Mikrovilli und anderen Membranextrusionen.

Die Kombination der beiden Größen, Widerstand TER und Kapazität Ccl, ergeben die komplexe Impedanz Z der Zellschicht, die elektronisch gemessen werden kann. Im Gegensatz zu anderen Untersuchungstechniken erfordern elektrische Messungen weder einen fluoreszierenden oder radioaktiven Marker noch irgendeine andere Art physiologischer Modifikation des Zellsystems. Elektrische Messungen können demnach durchgeführt werden, ohne die zu untersuchende native Zellkultur zu beeinträchtigen und liefern eine Fülle von Informationen über die Barriereeigenschaften.

Impedanz-Messung von Zellschichten (Teil 1)

Heutzutage ist eine Vielzahl gut etablierter In-vitro-Zellmodelle bekannt. Zahlreiche Modelle basieren auf Zellkulturen, die auf permeablen Membranen wachsen. Letztere sind von verschiedenen Herstellern als Zellkultur-Einsätze für Standard-Well-Platten erhältlich und werden routinemäßig als Labor-Verbrauchsmaterialien verwendet. Die Einsätze unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer geometrischen Gestaltung, dem Membranmaterial sowie der Porendichte und -größe. Trotz dieser technischen Unterschiede besitzen alle Einsätze eine poröse Membran, die das obere vom unteren mit Medium gefüllten Kompartiment trennt. Diese Einsätze eignen sich ideal zum Durchführen elektrischer Messungen über Zellschichten, die auf der durchlässigen Membran kultiviert werden.

 

cellZscope - SEM cells on membrane

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer subkonfluenten Zellschicht, gewachsen auf einer permeablen Membran.

Positioniert man je eine Elektrode auf beiden Seiten der Membran, d. h. eine im oberen Kompartiment und eine im unteren, kann durch Anlegen einer kleinen Wechselspannung Vac die elektrische Impedanz des Zellensystems gemessen werden.

 

cellZscope - Schematic, Setup

Eine epitheliale oder endotheliale Zellschicht, die auf einer permeablen Membran kultiviert wird, bildet die Grenzfläche zwischen zwei mit Medium gefüllten Kompartimenten, während eine Wechselspannung an die Elektroden angelegt wird.

Dieser Aufbau entspricht prinzipiell der physiologischen Konstellation von epithelialen oder endothelialen Zellschichten als Grenzflächengewebe zwischen zwei Fluidkompartimenten. Sofern die Permeabilität des Membranträgers in geeigneter Weise ausgewählt wird, ist die Zellschicht die Komponente, die den Ionenstrom begrenzt. Aber auch das Zellmedium und die Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Medium müssen berücksichtigt werden. Sie tragen beide zur gemessenen Gesamtimpedanz des Systems bei. In Kombination mit dem elektrischen Widerstand und der Kapazität der Zellschicht ergibt sich eine nichtlineare Frequenzabhängigkeit der Gesamtimpedanz.

 

cellZscope - Impedance Spectrum, Experimental Data

Experimentelle Daten, welche die typische Frequenzabhängigkeit des Betrags der Impedanz einer Zellschicht, die auf einer porösen Membran eines Standardeinsatzes kultiviert wurde, zeigen. Die Messelektroden sind wie obig beschrieben auf beiden Seiten der Zellschicht in den mit Medium gefüllten Kompartimenten positioniert.

Impedanz-Messung von Zellschichten (Teil 2)

Um die Parameter bestimmen zu können, die die Barriereeigenschaften der untersuchten Zellschicht beschreiben, werden äquivalente Schaltkreise und entsprechende mathematische Modelle angewendet. Diese ermöglichen es, die Impedanzbeiträge, die von den Zellen stammen, aus dem gesamten Impedanzspektrum herauszurechnen. Obwohl Zellschichten eher komplexe biologische Systeme sind, können ihre elektronischen Eigenschaften, die über ein großes Zellkollektiv integriert sind, in guter Näherung durch Grundelemente modelliert werden. Das folgende Schema zeigt die Ersatzschaltung, die sich eignet, den oben beschriebenen Aufbau zu modellieren.

 

cellZscope - Schematic, Setup + Equivalent Circuit

Der transepitheliale / -endotheliale elektrische Widerstand (TER) und die Kapazität (Ccl) der Zellschicht werden gemessen, indem die frequenzabhängige Impedanz (Z) aufgezeichnet wird und eine elektrische Ersatzschaltung verwendet wird, um die Daten zu analysieren.

Die zwei Hauptkomponenten, die direkt der Zellenschicht zuzuordnen sind, sind der Widerstand TER und die Kapazität Ccl. Der Ohmsche Widerstand TER ist primär bedingt durch den parazellulären Transport, während die Kapazitäten sowohl der apikalen als auch der basolateralen Membran in Ccl zusammengefasst werden. Weitere mögliche Beiträge zur Gesamtimpedanz der Zellschicht, beispielsweise der ohmsche Widerstand über die Zellmembranen, können in erster Näherung gut vernachlässigt werden. Basierend auf diesen Modellannahmen ist die Parallelschaltung von TER und Ccl gut geeignet, um die Eigenschaften der integrierten Zellschicht zu beschreiben.

Das Kulturmedium im oberen und unteren Kompartiment wird in guter Näherung durch einen einfachen ohmschen Widerstand Rmed beschrieben. Die Elektroden und insbesondere die Grenzfläche zwischen dem Metall der Elektroden und dem Kulturmedium zeigen ein komplexeres Impedanzverhalten. Das sogenannte constant phase element (CPE) ist ein empirisches, aber gut etabliertes Modell, das auf zwei Parametern basiert: Acpe, ncpe. Das CPE-Modell ist geeignet, die charakteristische Frequenzabhängigkeit der Impedanz der Elektrode-Medium-Grenzfläche mathematisch zu beschreiben.

Das Ersatzschaltbild und die entsprechenden mathematischen Modelle ermöglichen die Ableitung eines analytischen Ausdrucks für die Gesamtimpedanz des Systems. Die resultierende Funktion hängt von fünf Parametern ab (TER, Ccl, Rmed, Acpe und ncpe). Auf der Basis dieser parametrischen Funktion kann ein Algorithmus angewendet werden, um die experimentellen Daten zu fitten. Hierdurch erhält man einen Satz von Best-Fit-Parametern einschließlich der zwei Zellenschicht-bezogenen Parameter TER und Ccl.

 

cellZscope - Impedance Spectrum, Experimental Data + Fit

Experimentelle Daten und resultierende Fit-Kurve, die auf den folgenden Anpassungsparametern basiert:

TER = 295.5 Ω·cm2
Ccl = 0.46 μF/cm2
Rmed = 30 Ω
Acpe = 84.7 μF·sncpe-1/cm2
ncpe = 0.835

Impedanzspektren deuten

Der Widerstand TER und die Kapazität Ccl der Zellenschicht tragen vorwiegend bei den mittleren Messfrequenzen zu der Gesamtimpedanz bei, was zur Bildung eines Plateaus führt. Diese Charakteristik erlaubt es, die entsprechenden Beiträge von den peripheren Impedanzen zu trennen, die das niederfrequente und das hochfrequente Ende des Spektrums dominieren. Für die Einordnung der Rohspektren ist es aufschlussreich zu überlegen, wie Änderungen des Widerstands TER oder der Kapazität Ccl das gemessene Impedanzspektrum beeinflussen. Die folgenden Diagramme zeigen, dass - als Faustregel - der Widerstand TER die Höhe und die Kapazität Ccl die Breite des Plateaus bestimmt.

 

cellZscope - Calculations, variable TER

Ein Anstieg des Widerstands TER verschiebt das Plateau nach oben zu höheren Werten.

cellZscope - Calculations, variable Ccl

Eine Zunahme der Kapazität Ccl führt zu einer Verschmälerung des Plateaus.