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Integration of CMOS sensors and circuits into microphysiological hanging-drop networks

Applicant Bounik Raziyeh
Number 171267
Funding scheme Marie Heim-Voegtlin grants
Research institution Computational Systems Biology Department of Biosystems, D-BSSE ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Microelectronics. Optoelectronics
Start/End 01.02.2017 - 31.01.2019
Approved amount 134'962.00
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Keywords (7)

impedance spectroscopy; CMOS biosensor; body-on-a-chip; 3D microtissue; electrochemical sensing; Hanging-drop; electrophysiology recording

Lay Summary (French)

Lead
Un aspect clé du processus de développement de médicaments est l'utilisation d’essais cellulaires in vitro actuellement réalisés avec des cultures cellulaires bidimensionnelles. Cependant, les cultures bidimensionnelles ont une capacité limitée de prédiction car elles ne représentent pas les conditions in vivo telles l'interaction cellule-cellule De cette limite vient l’introduction des microtissus tridimensionnels (sphéroïdes) qui ont le potentiel de répliquer plus précisément les conditions physiologiques des cellules. Il a été démontré qu'ils prédisent avec plus de précision l'efficacité et les effets secondaires induits par des médicaments. Les sphéroïdes sont généralement formés avec une méthodologie de goutte suspendue.
Lay summary

Contenu et objectifs du travail de recherché

La plateforme de goutte suspendue nécessite un microscope pour une inspection visuelle et un temps considérable pour effectuer des mesures en série. De plus, les sphéroïdes doivent être retirés du dispositif pour l’analyse. L'objectif du projet est de développer un nouveau capteur micro-électronique multifonctionnel intégré à la plateforme de goutte suspendue. Ce capteur peut être utilisé pour effectuer différentes mesures en continu et en parallèle directement dans la plateforme. À titre d'exemple, nous pouvons suivre la production de glucose par des sphéroïdes hépatiques et les battements de sphéroïdes cardiaques.

Contexte scientifique et social du projet de recherche

Ce nouveau capteur fournira un outil d’analyse supplémentaire pour les scientifiques qui travaillent avec la technologie de goutte suspendue. Ils pourront ainsi facilement effectuer différentes mesures en parallèle in situ sur différents types de microtissus. Ceci réduirait éventuellement le temps et le coût des essais in vitro.

Direct link to Lay Summary Last update: 27.04.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Stimulation and Artifact-suppression Techniques for in-vitro High-density Microelectrode Array Systems
Bounik Raziyeh, Dragas Jelena, Radivojevic Milos, Geissler Sydney, Sitnikov Sergey, Muller Jan, Hierlemann Andreas, Shadmani Amir, Viswam Vijay, Chen Yihui (2019), Stimulation and Artifact-suppression Techniques for in-vitro High-density Microelectrode Array Systems, in IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1-1.
Impedance Spectroscopy and Electrophysiological Imaging of Cells With a High-Density CMOS Microelectrode Array System
BounikRaziyeh, ShadmaniAmir, DragasJelena, Urwyler Cedar, Boosjulia, ObienMarie, Müller Jan, ChenYihui, Hierlemann Andreas, Viswam Vijay (2018), Impedance Spectroscopy and Electrophysiological Imaging of Cells With a High-Density CMOS Microelectrode Array System, in IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 12(6), 1356-1368.
COMSOL modeling of an integrated impedance sensor in a hanging-drop platform
BounikRaziyeh, GusmaroliMassimiliano, ViswamVijay, ModenaMario, HierlemannAndreas (2018), COMSOL modeling of an integrated impedance sensor in a hanging-drop platform, Frontiers in Cellular Neuroscience, Frontiers in Cellular Neuroscience.
Integration of Discrete Sensors and Microelectrode Arrays into Open Microfluidic Hanging-Drop Networks
BounikRaziyeh, GusmaroliMassimiliano, MisunPatrick, ViswamVijay, HierlemannAndreas, ModenaMario, Integration of Discrete Sensors and Microelectrode Arrays into Open Microfluidic Hanging-Drop Networks, in IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, , IEEE , IEEE.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
IEEE 32th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Poster Integration of Discrete Sensors and Microelectrode Arrays into Open Microfluidic Hanging-Drop Networks 27.01.2019 Seoul, Korean Republic (South Korea) Bounik Raziyeh;
MEA meeting 2018 Poster COMSOL modeling of an integrated impedance sensor in a hanging-drop platform 04.07.2018 Reutlingen, Germany Bounik Raziyeh;


Abstract

Traditional dish-based, two-dimensional (2D) cell cultures have limited prediction capability for drug testing, whereas three-dimensional (3D) spherical microtissues (spheroids) much more accurately replicate physiological conditions of cells in the respective tissue. Such spheroids can be formed and cultured in microphysiological multi-tissue formats (“body-on-a-chip”) by using the hanging-drop technology recently developed at the Hierlemann Group, ETHZ. However, there is a lack of accurate and 3D-tissue-compatible online sensor and read-out methods for assessing tissue responses to, e.g., administration of drugs or changes in environmental parameters. Therefore, the central aim of this proposal includes (i) the development of a multifunctional CMOS sensor system chip that includes impedance spectroscopy, electrochemical sensing, and electrophysiology modules along with a custom designed multipurpose electrode arrangement on a single chip, and (ii) the integration of the CMOS chip into the hanging droplet platform, where the chip functional units will be used according to application needs: impedance data will be used for microtissue growth profiling, electrochemical data will be used for tracking lactate production by, e.g., a tumor spheroid, and electrophysiological measurements will be performed to follow the beating activity of cardiac spheroids. The use of IC technology also enables the realization of signal amplification, filtering, digitization, data storage and transmission units on the same chip. The initial phase of the project will include the design of the CMOS circuits in 180nm IC technology according to the application specifications. After chip fabrication by the XFab foundry (Erfurt, Germany), post-processing, chip functionalization, and microfluidic integration will be carried out in-house at D-BSSE, ETHZ. The device will be functionally tested and validated by using human cardio-myocyte, liver, or tumor spheroids. The functionality of the novel overall platform will be assessed by dosage of drugs, such as isoprotenerol.
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