L5 -Electrical and Electrochemical biosensors (II).pdf

Tissue electronics WS2023 L5 – Electrical and electrochemical biosensors: types and examples (II) Tissue Electronics Course Outline Impedimentric biosensors for molecule detection and BioFETs; Fom molecules to cell and tissue sensing and interfacing The Molecular Biology of the cell (Alberts, Lewis,...

Tissue electronics WS2023 L5 – Electrical and electrochemical biosensors: types and examples (II) Tissue Electronics Course Outline Impedimentric biosensors for molecule detection and BioFETs; Fom molecules to cell and tissue sensing and interfacing The Molecular Biology of the cell (Alberts, Lewis, Roberts, 4th edition&8th edition), Garland Science. Chapters 3 (proteins) 10 (membrane structure), 11 (membrane transport and membrane potential), 16 (the cytoskeleton), 19 (cell junctions). 2 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Circuit Theory Electrochemical impedance spectroscopy The Nyquist plot could be used to extract information from EIS measurements. The real part is plotted on the X-axis and the imaginary part is plotted on the Y-axis of a chart. Notice that in this plot the Y-axis is negative and that each point on the Nyquist Plot is the impedance at one frequency. Example of RC circuital model The semicircle is characteristic of a single "time constant". The capacitor (C) represents the electrochemical double layer, which can only store charge. The resistor (R) represents the charge transfer resistance. This is the resistance for the electron to change the phase from the electrode into the solution or to be more precise to a species solved in the solution. 3 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Circuit Theory Electrochemical impedance spectroscopy In the Bode graph, the impedance is plotted with log frequency on the X-axis and both the absolute values of the impedance (|Z|=Z0) and the phase-shift on the Y-axis. Unlike the Nyquist Plot, the Bode Plot does show frequency information. Example of RC circuital model 4 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Equivalent circuit models used to interpret EIS data Purely capacitive coating: used for undamaged coating of metals. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 5 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Equivalent circuit models used to interpret EIS data Constant phase element In the case of the blocking electrode, RuCPE, the impedimetric spectrum is tilted by an angle θ (A), while in the case of a Ru(CPERct) electrochemical cell the semicircle is depressed (B). REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 6 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Equivalent circuit models used to interpret EIS data Simplified Randles Cell: one of most common cell models. It includes a solution resistance Ru, a double layer capacitor Cdl and a charge transfer (or polarization resistance). The double-layer capacitance is in parallel with the charge-transfer resistance. In addition to being a useful model in its own right, the Simplified Randles Cell is the starting point for other more complex models. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 7 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Equivalent circuit models used to interpret EIS data Randles Cell In real electrochemical systems, the pattern of the Nyquist plot for a faradaic impedance spectrum over a wide range of frequencies usually involves both the semicircle (at this frequency region the electrochemical process is controlled by charge transfer phenomena) and the straight line (at this frequency region the electrochemical process is controlled by mass transfer phenomena) parts which can differ depending on the respective values of Cdl, Rct, and ZW. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 8 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Equivalent circuit models used to interpret EIS data Randles Cell with different Rct values and at different Cdl The effect of Rct, in relation to the heterogeneous transfer kinetics rate k0 of the redox species in the solution, as well as of Cdl are shown at the simulated Nyquist plots. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 9 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Equivalent circuit models used to interpret EIS data Transmissive boundaries The impedance profile of Zo at low frequencies tends to that of ZW (until the entering species diffuse completely across the film). At decreasing frequencies, a semicircle is obtained indicating that the diffusing species has exited the finite length diffusing layer and a dc current flow within the film. It is noted that the thicker the film the lower the frequency at which the curvature of the impedance spectrum is observed. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 10 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Equivalent circuit models used to interpret EIS data Transmissive boundaries The concentration gradient of the redox species is zero and thus no charge transfer is possible. Typical examples of finite diffusion with reflective boundary include lithium diffusion in thin solid state oxide films, hydrogen diffusion into thin films of various hydrogen absorbing materials or mass transport of charge carriers at redox polymer filmcoated electrodes etc. Elecrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 11 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - setup Generally, there are two categories in impedance measurement: electrical and electrochemical impedance. Electrical impedance (EI) is a two-electrode measurement performed using a lock-in amplifier and function generator or frequency response analyzer (FRA) with a pair of electrodes, the working electrode (WE) and counter electrode (CE), which may be of equal or different areas. Electrochemical impedance (ECI) (three-electrode measurement) performed using similar instruments along with a front-end potentiostat. The electrode arrangement includes an additional electrode, the reference electrode (RE), which contributes a half-cell potential, to which the potentiostat references its interrogating voltage. Figure on the right shows the schematic setup for the measurement of EI and ECI. In both cases the instrumentation delivers a sinusoidally varying and interrogating potential of specified frequency to the CE and the ensuing AC current is measured at the WE. 12 The transfer function, the ratio of V/I in the complex plane, allows a measure of the impedance of the device under test (DUT). The basic instrumental setup for the measurement of electrical impedance and/or electrochemical impedance spectroscopies and impedimetry https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-0-387-48998-8_686 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - devices For integration with micro- and nanofluidics, a suitable format for the two- and three-electrode arrangements used in impedimetry is that based on the microlithographically fabricated, co-planer, interdigitated microsensor electrode array (IME or IDA). Each sensor element of the array consists of a pair of opposing platinum, gold, or indium tin oxide (ITO) electrodes of 1-5 mm digit length and of digit width and separation that may be equal or unequal in the range 100 nm- 10um. These dimensions serve to define the serpentine length (width of the channel), the interdigit space (length of the channel), and the overall area of interdigitation. In the case of the impedimetric IME sensor, the two sets of electrodes of the IME can be two poles in a two-electrode configuration for electrical impedance measurements. 13 https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-0-387-48998-8_686 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Example of impedimetric sensor design. Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - bioimmmobilization Biospecificity is the property of the biorecognition membrane of the biotransducer that is conferred by the purposeful use of a bioactive receptor. There exists a wide range of possible approaches to the conferment of biospecificity to impedimetric array biosensors. These methods vary somewhat depending upon the bioactive receptor to be immobilized (molecule, subcellular fragment, cell, or tissue). However, these methods have one major purpose: to confer the molecular recognition and specificity inherent to the bioactive receptor to the biotransducer in a manner that maximizes the sensitivity of the physicochemical transducer that lies beneath. Amongst the various bioimmobilization approaches are: adsorption (physical, chemical, and electrostatic), adsorption followed by covalent cross-linking ,covalent tethering, and entrapment (physical or covalent) within host matrices (e. g., polymers, polymeric hydrogels, and sol–gels). 14 https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-0-387-48998-8_686 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - example Immunoglobulin (IgG) assay Immunoglobulin G is a type of antibody. Representing approximately 75% of serum antibodies in humans, IgG is the most common type of antibody found in blood circulation; Firstly, IgG neutralizes pathogens such as viruses and bacteria by binding to key pathogen surface proteins and preventing interaction of the pathogen with host cells. In doing so, the antibody neutralizes the ability of the pathogen to enter host cells and replicate; Elevated IgG can be seen in acute infections, chronic liver diseases, autoimmune disorders. 15 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - example Immunoglobulin G (IgG) assay Gold electrodes (interdigitated) with surface functionalization (called self assembled monolayer – SAM) for specific interaction and biding with IgG; 16 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/4012 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - example Figure on right shows the equivalent circuit model of impedance data fitting. The dashed line and solid line represent the Nyquist plot of the measured impedance and the comparison of the fitted data according to the equivalent circuit. The two curves are highly coincident and have a good fitting effect. This circuit consists of five circuit elements: Solution resistance Rs, constant phase elements CPE1 and CPE2, constant resistance Ra and charge transfer resistance Rct. It can be understood here that we divide the surface of the electrode into an internal SAM layer and external biomolecules (antigen and antibody). The internal part is composed of a constant resistance and a constant phase element CPE2, and the external part is composed of a charge transfer resistance Rct and another constant-phase CPE1, and Rs represents the resistance of the electrolyte solution. 17 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/4012 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Bio-FETs Definition A field-effect transistor-based biosensor, also known as a biosensor fieldeffect transistor (Bio-FET or BioFET), field-effect biosensor (FEB), or biosensor MOSFET, is a field-effect transistor that is gated by changes in the surface potential induced by the binding of molecules. When charged molecules, such as biomolecules, bind to the FET gate, which is usually a dielectric material, they can change the charge distribution of the underlying semiconductor material resulting in a change in conductance of the FET channel. A Bio-FET consists of two main compartments: one is the biological recognition element and the other is the field-effect transistor. The BioFET structure is largely based on the ion-sensitive field-effect transistor (ISFET), a type of metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET) where the metal gate is replaced by an ion-sensitive membrane, electrolyte solution, and reference electrode. 18 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://link.springer.com/article/10.1007/s13534-021-00187-8 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Bio-FETs Example SARS-CoV-2 biosensor Graphene transistor with surface functionalization of channel with spike protein antibody; Transistor channel variation proportional to amount of detected protein. (remember Exercise Session on 17.10) 19 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen From molecule-based biosensing to cells and tissues interfacing 20 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell types: examples 21 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen From the plasma membrane to the cell inside All spatial and mechanical function of the cell are developed to a very high degree in eucaryotic cells through a complex system of filaments called the cytoskeleton; Specific proteins assemble into structured filaments; These are: actin filaments, intermediate filaments and microtubules. They might have also some anchoring sites at the plasma membrane for modulating the cell arrangement, membrane curvature and bending. 22 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The cytoskeleton scaffolding 23 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Intermediate filaments (IFs) and microtubules (MTs) 24 IFs are rope-like fibers with a diameter of about 10 nm; they are made of intermediate filament proteins, which constitute a large and heterogeneous family. One type of intermediate filament forms a meshwork called the nuclear lamina just beneath the inner nuclear membrane. Other types extend across the cytoplasm, giving cells mechanical strength MTs are long, hollow cylinders made of the protein tubulin. With an outer diameter of 25 nm, they are much more rigid than actin filaments. They are long and straight and frequently have one end attached to a microtubule-organizing center (MTOC) called a centrosome. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Actin filaments Actin filaments underlie the plasma membrane of animal cells, providing strength and shape to its thin lipid bilayer; They (also known as microfilaments) are helical polymers of the protein actin; They are flexible structures with a diameter of 8 nm that organize into a variety of linear bundles, two-dimensional networks, and three-dimensional gels; Although actin filaments are dispersed throughout the cell, they are most highly concentrated in the cortex, just beneath the plasma membrane; Actin often undergoes a polymerization process is a reversible process, in which monomers both associate with and dissociate from the ends of actin filaments. This is necessary to dynamically adapt to mechanical changing boudaries; The first step in actin polymerization is known as ‘nucleation’: this step sees the formation of an actin nucleus, which is essentially a complex of three actin monomers, from which an actin filament may elongate. 25 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Actin filaments and cell protrusions Filopodia 26 1.Under resting conditions, actin nucleators (blue and green crosses), filament bundling and crosslinking proteins (grey crosses), and membrane curvature–sensing proteins (purple and orange curved lines) reside in the cytosol and preserve a base-line level of filamentous (F-) actin (red lines). Black dots denote plasma membrane microdomains rich in specific lipids and transmembrane proteins. 2. Upon signaling nucleators are activated and, together with elongation factors, promote rapid actin polymerization and actin patch formation. 3. Filaments extend rapidly towards the membrane, and changes in membrane curvature are sensed and/or induced by curvature-sensing proteins. 4. A growing filopodium has established a mixture of unbundled and bundled or crosslinked actin filaments. It is conceivable that different sets of nucleators and elongators may contribute to increased actin polymerization. Other proteins that uncap or cap barbed ends or proteins that sever filaments at the root of filopodia may regulate filament turnover during this process. 5. In a “mature” filopodium, additional signals may guide microtubule invasion in order to stabilize the nascent filopodium into a branch. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.1002241 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell polarity Cell polarity refers to the intrinsic asymmetry observed in cells, either in their shape, structure, or organization of cellular components. A Model to Explain How Actin Waves Contribute to Cell Polarization and Migration. (A) Actin filaments (or actin arrays) self-assemble in random orientations, and undergo polymerization and depolymerization within cells (red arrows). (B and C) If they become anchored to the plasma membrane via clutch molecules, they will migrate on the membrane toward the polymerizing ends (green arrows). (D) The actin arrays translocated to the cell's edge are aligned polymerizingend-outward. Actin waves further translocate laterally along the cell's edge depending on their angle of polymerization with respect to the edge (black arrows). (E) They assemble into larger arrays and generate force that pushes the membrane (blue arrows). (F) The cell polarizes morphologically, and actin arrays at the cell's leading edge generate force for cell migration (blue arrows). 27 https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0962-8924%2817%2930027-2 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The crawling cell (fibroblast) has a polarized, dynamic actin cytoskeleton (shown in red) that assembles lamellipodia and filopodia to push its leading edge toward the right. The polarization of the actin cytoskeleton is assisted by the microtubule cytoskeleton (green), consisting of long microtubules that emanate from a single microtubule organizing center located in front of the nucleus. When the cell divides, the polarized microtubule array rearranges to form a bipolar mitotic spindle, which is responsible for aligning and then segregating the duplicated chromosomes (brown). The actin filaments form a contractile ring at the center of the cell that pinches the cell in two after the chromosome segregation. After cell division is complete, the two daughter cells reorganize both the microtubule and actin cytoskeletons into smaller versions of those that were present in the mother cell, enabling them to crawl their separate ways. 28 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Courtesy of Francesco Pasqualini - Uni Pavia 29 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell proliferation Cell proliferation is the process by which a cell grows and divides to produce two daughter cells; It leads to an exponential increase in cell number and is therefore a rapid mechanism of tissue growth; It requires both cell growth and cell division to occur at the same time, such that the average size of cells remains constant in the population. Cell division can occur without cell growth, producing many progressively smaller, while cell growth can occur without cell division to produce a single larger cell. Thus, cell proliferation is not synonymous with either cell growth or cell division 30 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen ‘Sticky hand’ behavior 31 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell confluency In cell culture biology, confluence refers to the percentage of the surface of a culture dish that is covered by adherent cells. For example, 50 percent confluence means roughly half of the surface is covered, while 100 percent confluence means the surface is completely covered by the cells, and no more room is left for the cells to grow as a monolayer. Confluency describes the density of adherent cells and it is used as a measure of their proliferation. 32 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell-cell interaction Tight junctions (A) The sealing strands hold adjacent plasma membranes together. The strands are composed of transmembrane proteins that make contact across the intercellular space and create a seal. (B) The molecular composition of a sealing strand. The major extracellular components of the tight junction are members of a family of proteins with four transmembrane domains. One of these proteins, claudin, is the most important for the assembly and structure of the sealing strands, whereas the related protein occludin has the less critical role of determining junction permeability. The two termini of these proteins are both on the cytoplasmic side of the membrane, where they interact with large scaffolding proteins that organize the sealing strands and link the tight junction to the actin cytoskeleton. 33 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Monitoring cell proliferation, spreading and junctions 34 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell layer biosensing Impedance-based sensors These biosensors allow for the monitoring of: 1) number of cells and proliferation rate; 2) formation of tight junctions (resistive component); 3) permeability of cell layer to certain molecules of interest. 35 It takes into account the simplified electrical equivalent model of the plasma membrane as a barrier mainly dominated by its capacitive effect. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell layer biosensing Impedance-based sensors It measures the change in impedance of a small electrode to AC current flow over time. The current flows between an electrode and a larger counter electrode, using standard culture medium as the electrolyte. After inoculating cells into a well, cells anchor and spread on the base of the well and onto the electrode. The insulating plasma membranes of the cells on the electrode constrain the electrode’s electrical current and force the current to flow in regions beneath and between the cells. This convoluted current path causes large changes in the measured impedance. With the confluent cell layer in place, the resistance reaches a plateau. The AC current used to make the impedance measurements has no detectable effects upon the cells. This means that the measurements are non-invasive. 36 Source: Ibidi Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell layer biosensing Cell proliferation EIS measurement Morphological changes of C2C12 cells at various time point. a) 3 h, b) 6 h, c) 18 h, d) 32 h, e) 48 h, and f )72 h; Scale bar 20 μm. 37 https://jast-journal.springeropen.com/articles/10.1186/s40543-020-00223-9 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell layer biosensing Transepithelial/transendothelial electrical resistance (TEER) measurement Transepithelial/endothelial electrical resistance (TEER) is a rapid, non-invasive method for quantifying barrier tissue integrity by measuring the electrical resistance across the tissue. TEER measurements are generally performed by placing electrodes on both sides of a cell layer grown on a semipermeable membrane, applying an AC signal, and measuring both current and voltage across the cell layer. TEER can also be measured on cells grown on a surface containing multiple electrodes with a proper configuration. 38 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell layer biosensing Transepithelial/transendothelial electrical resistance (TEER) measurement In most TEER measurements a standardized configuration is used incorporating electrodes of silver and silver/silver chloride (Ag/AgCl) and using a signal frequency of 12.5 Hz. A low current signal of approximately 10 µA is applied to the cell layer through the silver electrodes, and Ag/AgCl electrodes on either side of the membrane measure the voltage. With this configuration, the calculation of TEER becomes simple, using Ohm’s Law to determine resistance from the current and voltage passing through the cell layer. The simplified model of the resulting electrical circuit for the TEER measurement contains electrical resistances for both the transcellular and paracellular pathways in parallel (Figure on the right). The equivalent resistance (Rtotal), combining both current paths, is given by the combination of the resistance through the transcellular pathway (Rtc) and the paracellular pathway (Rpc) as: 1/Rtotal=1/Rtc+1/Rpc. 39 Equivalent circuit model of a cellular monolayer consisting of a transcellular route (Ra + Rb) and paracellular route (Rtj+Ric) for current passing through the membrane. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Cell layer biosensing Transepithelial/transendothelial electrical resistance (TEER) measurement The measured electrical resistance is inversely proportional to the area of the cell layer, since an increased area provides more effective parallel paths for current to pass from one side to the other. In order to allow for TEER measurement comparisons among different experimental setups, the electrical resistance is normalized to the area by multiplying the resistance by the membrane area: TEER(Ω* cm2)=Rcells(Ω) × Area (cm2). When using impedance spectroscopy to measure TEER, measurements are taken across a range of frequencies, and the resulting impedance is plotted as a function of frequency. 40 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical activity in cells and tissues 41 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen