title: Engineering and Validation of an Opto-Biomechatronic Isotropic Stretch Technology and Imaging Unit Blended into a Bioreactor Environment for Automated Long-Term Mechanosignaling Studies in Biomedicine
title: Entwicklung und Validierung einer opto-biomechatronischen isotropen Stretchtechnik und Bildgebungseinheit, zusammengeführt in einem Bioreaktor für automatisierte Langzeitstudien zu Mechanosignalen in der Biomedizin
Creators: name: Merten, Anna-Lena
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: The field of mechanobiology investigates mechanical stimulation of cells and tissues. The IsoStretcher, a cell stretching device, has been developed to study the effects of equi-biaxial stretch on biological samples adhered to an elastic substrate. When mounted on an inverse microscope it allows for optical access to the sample during stimulation and, hence, not only enables analysis of the sample’s changes in phenotype, but also the use of fluorescent labels. Furthermore, automation is getting increasingly prevalent in laboratories to alleviate work load and stabilise experimental procedures. The design of a commercial, customisable modular bioreactor (Ospin GmbH, Berlin, Germany) facilitates automation of experimental processes related to cell culture and mechanical stimulation, suited to individual requirements. This thesis presents the combination of the three aspects stretch, imaging and automation, by integration of the IsoStretcher and a custom-built fluorescence microscope into the modular bioreactor. To this end, the IsoStretcher system was optimised to reduce the temperature of the sample chamber during long-term experiments by about 2°C (to appr. 37°C). Moreover, the Polydimethylsiloxane (PDMS) chambers were revised to hold an enclosed volume of 700 µl, enabling sterile conditions and connection to the bioreactor’s tube system. The fluorescence microscope was custom-built and designed to fit the dimensions of the bioreactor’s frame. Additionally, an autofocus functionality was implemented for effective use of the microscope. The integrated system was tested by culturing human foreskin fibroblasts for 24 h, which showed no discernible difference to conventionally cultured cells. Successful application of stretch to cells of the same cell line as well as simultaneous imaging of the sample were demonstrated by stretching cells stained with Cal-520, a fluorescent Calcium Ion (Ca2+) indicator (30% surface increase). This experiment also showed the effective operation of the autofocus algorithm, controlling the microscope’s focusing unit during the experiment. Thus, an automated device has been developed enabling long-term stretch experiments under ideal cell culture conditions, including continuous imaging of the sample and its reaction to mechanical stimulation.
description: Das Feld der Mechanobiologie untersucht die mechanische Stimulierung von Zellen und Geweben. Der IsoStretcher, ein Gerät zur Zelldehnung, wurde entwickelt, um die Auswirkungen äqui-biaxialer Dehnung auf biologische, adhärent an ein elastisches Substrat gebundene, Proben zu erforschen. Auf einem inversen Mikroskop angebracht, bietet sich optischer Zugang zur Probe während der Stimulierung und ermöglicht dadurch nicht nur die Untersuchung phänotypischer Merkmale, sondern auch die Anwendung fluoreszierender Marker. Automatisierung in Laboren wird immer wichtiger, um die Arbeitslast zu reduzieren und die Beständigkeit experimenteller Schritte zu verbessern. Die Entwicklung eines kommerziellen, individuell anpassbaren, modularen Bioreaktors (Ospin GmbH, Berlin, Deutschland) ermöglicht die Automatisierung unterschiedlicher experimenteller Vorgänge rund um Zellkultur und -stimulation. Diese Promotionsarbeit kombiniert die drei Aspekte Probendehnung, Bildgebung und Automatisierung durch die Integration des IsoStretchers und eines eigens entwickelten Fluoreszenzmikroskops in den Bioreaktor. Dazu wurde das IsoStretcher-System optimiert und somit die Temperatur der Probenkammer während Langezeitexperimenten um etwa 2°C auf ca. 37°C reduziert. Außerdem wurde das Konzept der Polydimethylsiloxankammern (PDMS Kammern) überarbeitet, sodass sie ein abgeschlossenes Volumen von 700 µl enthalten, wodurch sterile Bedingungen in der Kammer und der Anschluss an das Schlauchsystem des Bioreaktors ermöglicht wurden. Das Fluoreszenzmikroskop wurde den Maßen des Reaktors entsprechend angefertigt, und zusätzlich wurde ein Autofokusalgorithmus zur Steuerung des Mikroskops entwickelt. Das integrierte Gesamtsystem wurde durch 24 stündige Kultur menschlicher Vorhautfibroblasten getestet, wobei keine Unterschiede zur konventionellen Zellkultur festgestellt werden konnten. Die erfolgreiche Dehnung (30% Flächenvergrößerung) von Zellen der gleichen Zelllinie und simultane Bilderfassung wurden an Cal-520 (Kalziumionenindikator) gefärbten Zellen gezeigt. Dieser Versuch demonstrierte auch die Funktion des Autofokusalgorithmus. Somit wurde ein automatisierter Bioreaktor geschaffen, welcher in der Lage ist, unter idealen Zellkulturbedingungen, Langzeitdehnung auf Proben auszuüben und gleichzeitig kontinuierliche mikroskopische Aufnahmen der Probe und ihrer Reaktion auf Dehnung zu machen.