Design und Herstellung von 3D-gedruckten Microfluidics für den Einsatz in der Zellkulturtechnik

Abstract

Die transiente Transfektion wird genutzt, um genetisches Material in Säugerzellen zu transportieren. Die Besonderheit liegt darin, dass die genetische Information nicht in das Genom der Wirtszellen integriert wird. Dadurch können mit diesem Transfektionsverfahren innerhalb weniger Tage kleine Proteinmengen produziert werden. Allerdings wird die eingebrachte genetische Information bei der Zellteilung nicht kopiert und auf die Tochterzellen verteilt, sodass sie mit der Zeit verloren geht. Diese Transfektionsmethode wird daher eingesetzt, wenn nur geringe Proteinmengen schnell hergestellt werden müssen, beispielsweise in vorklinischen Untersuchungen der Biopharmazeutikaentwicklung oder im akademischen Umfeld. In dieser Arbeit wurde ein mikrofluidisches System entwickelt, das die Schritte der transienten Transfektion automatisiert. Dafür wurden die unterschiedlichen Elemente des Gesamtsystems – ein Mikromischer, eine Inkubationseinheit und ein Spiralseparator zur Zellseparation – einzeln entwickelt, mittels hochauflösendem 3D-Druck hergestellt und charakterisiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene Mikromischerdesigns aus der Literatur mittels 3D- Druck hergestellt und miteinander verglichen. Hierbei wurde die Effektivität der Mischer in Bezug auf ihre Länge bzw. ihr Volumen bei unterschiedlichen Flussraten bewertet und untersucht, ob die Mischer einen Einfluss auf die Viabilität der CHO-Zellen (chinesische Hamsterovarienzellen) haben. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein mikrofluidischer Spiralseparator entwickelt und charakterisiert, um die Zellen nach der Transfektion von den toxischen Transfektionschemikalien zu trennen. Das entwickelte System erlaubt durch eine Pumpe an einem der zwei Ausgänge der Separationsspirale das Einstellen der Separationseffizienz von über 95 % bei Zellkonzentrationen von bis zu 20 · 106 Zellen mL-1. Im dritten Teil der Arbeit wurde zunächst ein kleineres mikrofluidisches Transfektionssystem entwickelt, in dem ca. 5 mL Zellsuspension transfiziert werden konnte. In dem System wurden die Zellen mit DNA und dem Transfektionsdetergens PEI (Polyethylenimin) mit einem integrierten Mikromischer durchmischt und anschließend für eine bestimmte Zeit inkubiert, bis die transfizierten Zellen in neues Medium überführt wurden. Ziel war es, die optimale Inkubationszeit zu bestimmen. In einem weiteren Schritt wurde ein kontinuierliches Gesamtsystem mit einem Mikromischer, einer Inkubationseinheit und einem Spiralseparator entwickelt, welches computergesteuert CHO-Zellen transfizieren kann. In ersten Transfektionsversuchen konnten mit dem System Transfektionseffizienzen erzielt werden, die mit der klassischen, manuell durchgeführten Methode vergleichbar sind.

Transient Transfection is used to transport genetic material into mammalian cells. The distinguishing feature of transient transfection is that the genetic material does not integrate into the genome of the host cell line. Therefore, this transfection method can be used to produce small quantities of proteins in a matter of days. However, the imported genetic information does not get copied during cell proliferation and gets lost over time. Consequently, this transfection method is used to quickly produce small quantities of protein, for instance, in pre-clinical studies in biopharmaceutical development or academic research. In this work, a microfluidic system was developed to automate the steps of transient transfection. The single modules of the system – micromixer, incubation platform and cell separator – were designed and manufactured using 3D printing technology and characterized. In the first part of this work, different micromixer designs were adapted for 3D printing from literature and compared to one another. The effectivity of the mixers was evaluated for different flow rates with regard to the length and volume of the mixers. Moreover, the influence of the micromixer on cell viability was determined. In the second part of this work, a microfluidic spiral separator was developed to separate the cells from the toxic transfection detergent PEI (polyethylenimine) after transfection. By using a second pump at the spiral outlet, the separation efficiency could be controlled at cell concentrations of up to 20 · 106 cells mL-1. In the third part of this work, a smaller transfection system was developed for transfection of approximately 5 mL of cell suspension for optimization of the incubation time. In this system, cells were mixed with DNA and the transfection detergent PEI using an integrated micromixer and then incubated for a specified time until the transfected cells were transferred to fresh medium. Secondly, a continuous transfection system was developed consisting of a micromixer, an incubation platform, and a spiral separator to automatically transfect CHO (chinese hamster ovary) cells. In initial transfection experiments, the system was able to achieve transfection efficiencies comparable to the standard, manually performed method.