@phdthesis{Behm2019,
  author    = {Behm, Laura Vera Johanna},
  title     = {Thermoresponsive Zellkultursubstrate f{\"u}r zeitlich-r{\"a}umlich gesteuertes Auswachsen neuronaler Zellen},
  doi       = {10.25932/publishup-43619},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436196},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {VII, 105},
  year      = {2019},
  abstract  = {Ein wichtiges Ziel der Neurowissenschaften ist das Verst{\"a}ndnis der komplexen und zugleich faszinierenden, hochgeordneten Vernetzung der Neurone im Gehirn, welche neuronalen Prozessen, wie zum Beispiel dem Wahrnehmen oder Lernen wie auch Neuropathologien zu Grunde liegt. F{\"u}r verbesserte neuronale Zellkulturmodelle zur detaillierten Untersuchung dieser Prozesse ist daher die Rekonstruktion von geordneten neuronalen Verbindungen dringend erforderlich. Mit Oberfl{\"a}chenstrukturen aus zellattraktiven und zellabweisenden Beschichtungen k{\"o}nnen neuronale Zellen und ihre Neuriten in vitro strukturiert werden. Zur Kontrolle der neuronalen Verbindungsrichtung muss das Auswachsen der Axone zu benachbarten Zellen dynamisch gesteuert werden, zum Beispiel {\"u}ber eine ver{\"a}nderliche Zug{\"a}nglichkeit der Oberfl{\"a}che. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob mit thermoresponsiven Polymeren (TRP) beschichtete Zellkultursubstrate f{\"u}r eine dynamische Kontrolle des Auswachsens neuronaler Zellen geeignet sind. TRP k{\"o}nnen {\"u}ber die Temperatur von einem zellabweisenden in einen zellattraktiven Zustand geschaltet werden, womit die Zug{\"a}nglichkeit der Oberfl{\"a}che f{\"u}r Zellen dynamisch gesteuert werden kann. Die TRP-Beschichtung wurde mikrostrukturiert, um einzelne oder wenige neuronale Zellen zun{\"a}chst auf der Oberfl{\"a}che anzuordnen und das Auswachsen der Zellen und Neuriten {\"u}ber definierte TRP-Bereiche in Abh{\"a}ngigkeit der Temperatur zeitlich und r{\"a}umlich zu kontrollieren. Das Protokoll wurde mit der neuronalen Zelllinie SH-SY5Y etabliert und auf humane induzierte Neurone {\"u}bertragen. Die Anordnung der Zellen konnte bei Kultivierung im zellabweisenden Zustand des TRPs f{\"u}r bis zu 7 Tage aufrecht erhalten werden. Durch Schalten des TRPs in den zellattraktiven Zustand konnte das Auswachsen der Neuriten und Zellen zeitlich und r{\"a}umlich induziert werden. Immunozytochemische F{\"a}rbungen und Patch-Clamp-Ableitungen der Neurone demonstrierten die einfache Anwendbarkeit und Zellkompatibilit{\"a}t der TRP-Substrate. Eine pr{\"a}zisere r{\"a}umliche Kontrolle des Auswachsens der Zellen sollte durch lokales Schalten der TRP-Beschichtung erreicht werden. Daf{\"u}r wurden Mikroheizchips mit Mikroelektroden zur lokalen Jouleschen Erw{\"a}rmung der Substratoberfl{\"a}che entwickelt. Zur Evaluierung der generierten Temperaturprofile wurde eine Temperaturmessmethode entwickelt und die erhobenen Messwerte mit numerisch simulierten Werten abgeglichen. Die Temperaturmessmethode basiert auf einfach zu applizierenden Sol-Gel-Schichten, die den temperatursensitiven Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin B enthalten. Sie erm{\"o}glicht oberfl{\"a}chennahe Temperaturmessungen in trockener und w{\"a}ssriger Umgebung mit hoher Orts- und Temperaturaufl{\"o}sung. Numerische Simulationen der Temperaturprofile korrelierten gut mit den experimentellen Daten. Auf dieser Basis konnten Geometrie und Material der Mikroelektroden hinsichtlich einer lokal stark begrenzten Temperierung optimiert werden. Ferner wurden f{\"u}r die Kultvierung der Zellen auf den Mikroheizchips eine Zellkulturkammer und Kontaktboard f{\"u}r die elektrische Kontaktierung der Mikroelektroden geschaffen. Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren erstmalig das enorme Potential thermoresponsiver Zellkultursubstrate f{\"u}r die zeitlich und r{\"a}umlich gesteuerte Formation geordneter neuronaler Verbindungen in vitro. Zuk{\"u}nftig k{\"o}nnte dies detaillierte Studien zur neuronalen Informationsverarbeitung oder zu Neuropathologien an relevanten, humanen Zellmodellen erm{\"o}glichen.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Enzenberg2015,
  author    = {Enzenberg, Anne},
  title     = {Neue fluoreszierende Copolymere f{\"u}r sensitive Detektionssysteme in Wasser},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82325},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xvi, 156, KK},
  year      = {2015},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von neuartigen fluoreszierenden Copolymeren zur Analytdetektion in w{\"a}ssrigen Systemen. Das Detektionssystem sollte ein einfaches Schalten der Fluoreszenz bei Analytbindung „Aus" bzw. Verdr{\"a}ngung „An" erm{\"o}glichen. Daf{\"u}r wurde die Synthese eines funktionalisierten Monomers so geplant, dass sich Fluorophor und Analyt innerhalb derselben Monomereinheit in direkter Nachbarschaft zueinander befinden. So sollten bei Erkennung des Analyten durch eine mit einem Fluoreszenzl{\"o}scher funktionalisierte Erkennungsstruktur Fluorophor und L{\"o}scher in einen vorgegebenen Abstand zueinander gezwungen und die Fluoreszenz des Fluorophors effizient gel{\"o}scht werden. Bei anschließender Verdr{\"a}ngung der Erkennungseinheit durch einen st{\"a}rker bindenden Analyten sollte die Fluoreszenz wieder „angeschaltet" werden. Eine weitere Zielstellung f{\"u}r das Detektionssystem war eine hohe L{\"o}slichkeit und Fluoreszenzintensit{\"a}t in Wasser. Da die Anwendung solcher Sensoren besonders in der Medizin und Biologie, z.B. f{\"u}r Schnellerkennungstest von Pathogenen, von Interesse ist, ist die Kompatibilit{\"a}t mit w{\"a}ssrigen Medien essentiell. Die funktionalisierten Monomere wurden frei radikalisch mit N Vinyl-pyrrolidon bzw. N Vinyl¬caprolactam zu wasserl{\"o}slichen, fluoreszierenden Copolymeren umgesetzt. In den N-Vinyl¬pyrrolidon-Polymeren (PNVP) wurde RhodaminB, in den thermoresponsiven N Vinyl¬caprolactam-Polymeren (PNVCL) ein Naphthals{\"a}ureimid als Fluorophor verwendet. W{\"a}hrend Rhodamine eine hohe Fluoreszenzintensit{\"a}t, gute Quantenausbeuten und hohen Extinktionskoeffizienten in Wasser zeigen, sind Naphthals{\"a}ure¬imide umgebungssensitive Chromophore, die bei {\"A}nderung ihrer L{\"o}sungsmittelumgebung, wie z.B. beim Kollaps eines thermoresponsiven Polymers in Wasser, ihre Fluoreszenzintensit{\"a}t und Quantenausbeute drastisch {\"a}ndern k{\"o}nnen. Der Vorteil der hier verwendeten Strategie der Monomersynthese liegt darin, dass bei jeder spezifischen Analytdetektion durch eine Erkennungseinheit die Fluoreszenz effizient gel{\"o}scht bzw. bei Verdr{\"a}ngung durch einen st{\"a}rker bindenden Analyten wieder „angeschaltet" wird. Dieses Prinzip wird bereits vielfach in der Biologie in sogenannten „Molecular Beacons" ausgenutzt, wobei ein Fluorophor und ein L{\"o}scher durch spezifische DNA Basenpaarung in einen vorgegebenen Abstand zueinander gezwungen werden und so ein „Schalten" der Fluoreszenz erm{\"o}glichen. Aufgrund der vorgegebenen Struktur der DNA Basensequenzen ist es jedoch nicht direkt auf andere Erkennungsreaktionen {\"u}bertragbar. Daher wurde ein Modellsystem entwickelt, welches die M{\"o}glichkeit bietet Analyt, Erkennungseinheit und Signalgeber variabel, je nach Anforderungen des Systems, auszutauschen. So soll es m{\"o}glich sein, den Sensor a priori f{\"u}r jede Erkennungs¬reaktion zu verwenden. Als Modell Bindungs¬paare wurden ß Cyclodextrin/Adamantan und Con¬cana¬valinA/Mannose ausgew{\"a}hlt. Adamantan bzw. Mannose wurde als Analyt zusammen mit dem Fluorophor in das Polymer eingebunden. ß Cyclo¬dextrin (ß CD) bzw. ConcanavalinA (ConA) wurde als Erkennungsstruktur an einem Fluoreszenzl{\"o}scher immobilisiert. Polymer-basierte Fluoreszenzsensoren sind in der Fachliteratur gut dokumentiert. In der Regel sind Signalgeber und Analyt jedoch statistisch im Polymer verteilt, da sie sich entweder in unterschiedlichen Monomereinheiten befinden oder die Funktionalisierung durch eine polymeranaloge Umsetzung erfolgt. Der gew{\"a}hlte Ansatz Fluorophor und Analyt innerhalb derselben Monomereinheit einzubinden, soll bei jeder Erkennungsreaktion des Analyten zu einer {\"A}nderung der Signalintensit{\"a}t des Fluorophors f{\"u}hren. Eine hohe Signalintensit{\"a}t bei Analytdetektion ist w{\"u}nschenswert, insbesondere f{\"u}r Erkennungsreaktionen, die mit m{\"o}glichst geringem apparativem Aufwand, am besten mit dem bloßen Auge zu verfolgen sein sollen. Des Weiteren ist es m{\"o}glich den Fluorophorgehalt im Polymer genau einzustellen und so Selbstl{\"o}schung zu vermeiden. Die synthetisierten Polymere haben einen Fluorophorgehalt von 0,01 mol\% bis 0,5 mol\%. F{\"u}r die RhodaminB haltigen Polymere zeigte sich, dass ein Fluorophorgehalt unterhalb 0,1 mol\% im Polymer die h{\"o}chsten Ausbeuten, Molmassen und Quantenausbeuten liefert. F{\"u}r die Naphthals{\"a}ureimid haltigen Polymere hingegen wurden auch f{\"u}r einen Fluorophorgehalt von bis zu 1 mol\% hohe Ausbeuten und Molmassen erreicht. Die Naphthals{\"a}ureimid haltigen Polymere haben jedoch in w{\"a}ssriger L{\"o}sungsmittelumgebung nur geringe Quantenausbeuten. Als Fluoreszenzl{\"o}scher wurden Goldnanopartikel synthetisiert, die mit den entsprechenden Erkennungsstrukturen (ß-CD oder ConA) f{\"u}r den verwendeten Analyten funktionalisiert wurden. Goldnanopartikel als L{\"o}scher bieten den Vorteil, dass ihre Dispergierbarkeit in einem L{\"o}semittel durch Funktionalisierung ihrer H{\"u}lle gezielt gesteuert werden kann. Durch die hohe Affinit{\"a}t von Goldnanopartikeln zu Thiolen und Aminen konnten sie mit Hilfe einfacher Syntheseschritte mit Thio ß CD Derivaten bzw. ConA funktionalisiert werden. In der hier vorgelegten Arbeit sollte ein Modellsystem f{\"u}r einen solches fluoreszenz-basiertes Detektionssystem in Wasser entwickelt werden. Nachfolgend werden die zu erf{\"u}llenden strukturellen Voraussetzungen f{\"u}r die Synthese eines solchen Sensors nochmals zusammengefasst: 1. Verwendung eines Fluorophors, der eine hohe Signalintensit{\"a}t zeigt. 2. Analyt bzw. Erkennungseinheit soll sich im Abstand von wenigen Nanometern zum Signalgeber befinden, um bei jeder Detektionsreaktion die Signalintensit{\"a}t des Signalgebers beeinflussen zu k{\"o}nnen. 3. Die Detektionseinheit ben{\"o}tigt eine funktionelle Gruppe zur Immobilisierung. Immobilisierung kann z.B. durch Einbindung in ein Polymer erfolgen. 4. Der Fluorophor soll bei {\"A}nderung seiner lokalen Umgebung, durch Binden eines L{\"o}schers oder {\"A}nderung seiner L{\"o}semittelumgebung seine Fluoreszenzeigenschaften drastisch {\"a}ndern. 5. Die Reaktion sollte schnell und mit m{\"o}glichst geringem apparativem Aufwand, am besten mit bloßem Auge zu verfolgen sein. F{\"u}r das ß-CD/Adamantan Modellsystem wurde ein Fluoreszenz Aus/An Sensor entwickelt, der bei Binden ß CD funktionalisierter Goldnanopartikel an das polymergebundene Adamantan die Fluoreszenz des RhodaminB Fluorophors effizient l{\"o}scht und bei Verdr{\"a}ngung der Goldnanopartikel wieder zur{\"u}ck gewinnt. Dies konnte auch mit bloßem Auge verfolgt werden. F{\"u}r die Naphthals{\"a}ureimid Monomere, die mit NVCL copolymerisiert wurden, wurde abh{\"a}ngig von der lokalen Umgebung des Fluorophors eine unterschiedliche Verst{\"a}rkung der Fluoreszenzintensit{\"a}t bei {\"U}berschreiten des Tr{\"u}bungspunktes des Polymers gefunden. Dabei zeigte sich, dass die Einf{\"u}hrung eines Abstandshalters zwischen Polymerr{\"u}ckgrat und Fluorophor zu einer großen Fluoreszenz¬verst{\"a}rkung f{\"u}hrt, w{\"a}hrend sich ohne Abstandshalter die Fluoreszenzintensit{\"a}t bei {\"U}ber¬schreiten des Tr{\"u}bungspunktes kaum {\"a}ndert.},
  language  = {de}
}