Biofuel cell operating on activated THP-1 cells - ETH E

Diss. ETH No. 23773
Biofuel cell operating on activated
THP-1 cells
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
KRISTINA JAVOR
Master degree in Bioengineering and Biotechnology
EPFL, Switzerland
born on 04.01.1985
citizen of Saint-Prex, VD
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Andreas Stemmer, examiner
Dr. Emmanuel Delamarche, co-examiner
2016
Abstract
Energy supply is currently a significant challenge in the development
of biomedical implants. The emergence of implantable medical devices in the last decades has led to a quest for alternative power
sources that could replace conventional batteries. These are often
heavy and bulky compared to the rest of the medical device and
require surgery for their replacement. The necessity of finding more
suitable energy sources seamlessly integrated within the tissues and
capable of harvesting energy from the body's own resources has led
researchers to consider biofuel cells as an alternative to batteries. Recently, several biofuel cells operating on mammalian cells have been
studied. These showed the possibility of harvesting electrochemical energy from white blood cells (WBC). This work focuses on an
improved biofuel cell operating on activated THP-1 human monocytic cells. THP-1 monocytes were differentiated into macrophages
and activation stimuli were applied in order to trigger respiratory
burst, during which great quantities of free radicals, including superoxide, were released through the NADPH oxidase transmembrane
complex. Superoxide has a short lifespan and quickly undergoes
spontaneous dismutation to form hydrogen peroxide. Electrochemical investigation showed strong evidence pointing towards hydrogen
peroxide being the primary source of electrical current, confirming
that the current originates from NADPH oxidase activity. Additionally, an adequate substrate for differentiation and activation of
THP-1 cells was examined. ITO, gold, platinum, and glass were
tested and the amount of superoxide anion produced by NADPH
oxidase was measured by spectrophotometry through WST-1 reduction at 450 nm and used as an indicator of cellular activity and
viability. These substrates were subsequently used in a conventional
two-compartment biofuel cell and the different biofuel cells were
characterized by recording polarization and power curves. The material showing the highest cell activity compared to the reference cell
culture plate and the highest power output was ITO. The maximum
power density reached was 4.5 µW/cm2 . This value is in the order
of magnitude required to power contemporary pacemakers. Furthermore, to understand the role of NADPH oxidase and its products in
the generation of electrical current, the overall system was studied by
recording power density output in the presence of enzymes catalyzing the degradation of superoxide and hydrogen peroxide, on the one
hand, and after incubation of the cells with several NADPH oxidase
inhibitors, including diphenylene iodonium (DPI) and staurosporine,
on the other hand.
ii
Résumé
L'approvisionnement en énergie constitue à l'heure actuelle un défi
important dans le développement d'implants biomédicaux. Face à
leur généralisation dans les dernières decénnies, notamment dans
le domaine de la stimulation cardiaque, la recherche s'est focalisée
sur l'exploration de nouvelles sources d'énergie internes au corps
qui remplaceraient les batteries conventionnelles, souvent lourdes,
encombrantes et de courte durée de vie par rapport au reste du
dispositif. Ces batteries conventionnelles nécessitent par ailleurs
une intervention chirurgicale pour leur remplacement. La recherche
de sources d'énergie plus appropriées, parfaitement intégrées dans
les tissus vivants et capables de récupérer l'énergie générée par les
ressources propres de l'organisme a conduit à considérer les piles à
combustible biologiques (piles biologiques) comme une alternative
crédible aux batteries conventionnelles. Récemment, plusieurs modèles de piles biologiques opérant grâce à des cellules immunitaires
issues de mammifères ont été proposés. La possibilité de récolter de
l'énergie électrochimique à partir des globules blancs a également
été démontrée. L'objet de cette thèse est l'étude d'un modèle de pile
biologique amélioré fonctionnant grâce à des cellules monocytaires
humaines (THP-1) activées. Pour cela, les monocytes ont été différenciés en macrophages et activés afin de stimuler leur métabolisme
oxydatif, une réaction immunitaire au cours de laquelle de grandes
quantités de radicaux libres, dont l'anion superoxyde, sont libérés par
le complexe protéique transmembranaire appelé NADPH oxydase.
Le superoxyde produit est instable en solution et subit rapidement
une dismutation spontanée pour former du peroxyde d’hydrogène.
L'étude electrochimique du système par voltammétrie cyclique nous
permet d'affirmer que le peroxyde d'hydrogène est la source principale de courant, confirmant que celui-ci provient bien de l'activité de
la NADPH oxydase. En outre, la recherche d'un substrat adéquat
pour la différenciation et l’activation des cellules monocytaires a été
conduite. L'oxyde d'indium-étain (ITO), l'or, le platine et le verre
ont été testés, et la quantité de superoxyde produite par la NADPH
oxydase a été mesurée par spectrophotométrie et a pu être corrélée
à la viabilité et à l'activité cellulaire. Ces substrats ont ensuite
été utilisés dans une pile à combustible classique à deux compartiments et les différentes piles biologiques ont été caractérisées par la
mesure de leurs courbes de polarisation et de puissance. ITO est
le matériau qui présente l'activité cellulaire la plus élevée en comparaison à la plaque de culture cellulaire de référence ainsi que la
puissance électrique fournie la plus élevée. La densité de puissance
maximale atteint 4.5 µW/cm2 , ce qui correspond à la consommation de certains modèles de stimulateurs caridaques. Pour prouver
l'implication de la NADPH oxydase et de ses produits sur le courant
généré, le système cellulaire a été étudié en enregistrant la densité
de puissance en présence d’enzymes qui catalysent la dégradation du
superoxyde et du peroxyde d'hydrogène, ainsi qu'après l'incubation
des cellules avec plusieurs inhibiteurs de la NADPH oxydase, dont
le diphénylène iodonium (DPI) et la staurosporine.
iv