Tesis doctoral de Marc Castellarnau Aymar
El principal objetivo de este trabajo de tesis consiste en el desarrollo de micro-dispositivos para la manipulación celular y la caracterización de propiedades dieléctricas y cambios en la morfología de las células. También se ha estudiado algunas aplicaciones basadas en estudios de actividad metabólica y respuesta celular. Con esta finalidad se ha partido del concepto lab-on-a-chip (dispositivo multi-análisis integrado), para investigar distintas funcionalidades que se pueden incluir en un mismo dispositivo. Concretamente, el presente trabajo incluye cuatro grandes bloques relacionados con distintas funcionalidades o capacidades de análisis celular: en primer lugar, se ha investigado el uso de micro-capilares con medidas de espectroscopia de impedancia eléctrica (eis), como herramienta no-destructiva para estudios en células individuales en aplicaciones biomédicas. Con el objetivo de describir la interacción en la interfaz célula-capilar, se ha desarrollado un modelo analítico completo y se ha comparado con simulaciones por elementos finitos (fem). Finalmente, se ha validado el sistema con un estudio de cito-toxicidad, añadiendo dmso en el medio y monitorizando las variaciones de impedancia. Se ha comprobado que estas a baja frecuencia vienen determinadas por las variaciones morfológicas y fisiológicas de la célula. a continuación se ha investigado otra técnica de caracterización y manipulación eléctrica como es la dielectroforesis (dep). En este caso, se ha estudiado su uso en aplicaciones microbiológicas y biomédicas. Por primera vez, se ha utilizado dep para intentar detectar la presencia de plásmidos conjugativos en poblaciones bacterianas. Como modelo se han utilizado cepas de e.Coli con plásmidos r27. Estos plásmidos son termosensibles y codifican múltiple resistencia a antibióticos. Las diferencias observadas con la caracterización mediante dep, se deben principalmente a mutaciones en las células y no a la presencia del plásmido. Por este motivo, se decidió utilizar dep para identificar cambios sutiles en la conformación de la bacteria, debido a mutaciones involucradas en la preValencia de bacterias patógenas. Para este estudio, se han utilizado cepas con mutaciones que afectan a los moduladores hha y h-ns, que juegan un papel importante en la regulación de la expresión genética. Los resultados experimentales demuestran que es posible identificar los distintos mutantes analizados, tanto a nivel de membrana como a nivel citoplasmático. Por otra parte, se ha adaptado un modelo dieléctrico para describir el comportamiento dep de las bacterias. El modelo se ha ajustado a los resultados experimentales, obteniendo una buena correlación entre la descripción dieléctrica y biológica. Finalmente, se ha aplicado dep en la identificación de patógenos como la e. Coli o157:h7, que es una bacteria entero-hemorrágica extremadamente virulenta, responsable de la mayoría de intoxicaciones alimenticias, junto con la salmonella. Los resultados experimentales muestran que existen ciertas diferencias a nivel de membrana en la región de bajas frecuencias. otra técnica que se ha explorado es el uso de dispositivos isfet para medida electroquímica. Para el presente estudio, se ha utilizado un dispositivo isfet en una aplicación biotecnológica, como es la monitorización de la actividad bacteriana a través del catabolismo de varios azúcares. Como modelo se han utilizado dos tipos de lactobacillus (l. Sakei y l. Survatus). De las respuestas dinámicas obtenidas se concluye que es posible diferenciar los dos tipos de bacterias lácticas a través de sus perfiles de fermentación de la ribosa a las pocas horas de iniciarse el proceso de fermentación. Esto es una clara ventaja respecto a otros métodos de caracterización microbiológica (p.E. Api ch50), donde no es posible un control on-line y acostumbra a ser necesario un tiempo de análisis cercano o incluso superior a las 24 horas. finalmente, se ha descrito el diseño, el proceso de fabricación y la caracterización de los dispositivos utilizados en esta tesis, para la manipulación y caracterización eléctrica de células. Se han demostrado las distintas funcionalidades del dispositivo implementado: (a) electrodos dep como elemento posicionador / concentrador y también como herramienta de caracterización celular; (b) isfets para medidas electroquímicas y estudios de actividad metabólica; (c) electrodo de referencia integrado para realizar las medidas con isfet sin necesidad de electrodos de referencia externos. Como prueba de la utilización e integración de varias funcionalidades en un mismo dispositivo, se han realizado medidas combinadas, utilizando el posicionador dep, para concentrar localmente células encima del área sensible de los isfet, y realizar medidas electroquímicas para monitorizar actividad metabólica en suspensiones de bacterias.
Datos académicos de la tesis doctoral «Development of microdevices for cell handling and characterization. applications to the study of electrical properties of cells«
- Título de la tesis: Development of microdevices for cell handling and characterization. applications to the study of electrical properties of cells
- Autor: Marc Castellarnau Aymar
- Universidad: Barcelona
- Fecha de lectura de la tesis: 08/07/2008
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Josep Samitier Marti
- Tribunal
- Presidente del tribunal: Antonio Juarez jimenez
- ramon Bragos (vocal)
- joan Bausells roige (vocal)
- Francisco Del pozo (vocal)