Multiparametric silicon sensor chips mounted into biocompatible cell culture units have been used for investigations on cellular microphysiological patterns. Potentiometric, amperometric and impedimetric microsensors are combined on a common cell culture surface on the chip with an area of approximately 29 mm2. Extracellular acidification rates (with pH-sensitive field effect transistors, ISFETs), cellular oxygen consumption rates (with amperometric electrode structures) and cell morphological alterations (with impedimetric electrode structures, IDES) are monitored on single chips simultaneously for up to several days. The corresponding test device accommodates six of such sensor chips in parallel, provides electronic circuitry and maintains the required cell culture conditions (temperature, fluid perfusion system). Sensor data are transformed into quantitative information about microphysiologic conditions. The outcome of this transformation as well as reliability and sensitivity in detection of drug effects is discussed. This is the first report on multiparametric cell based assays with data obtained solely with integrated sensors on silicon chips. Those assays are required in different fields of application such as pharmaceutical drug screening, tumor chemosensitivity tests and environmental monitoring.

Sl '. Malignanl grovvth oflumor cclls and their im.isivc hchuv lor is charactcn/ed by a myriad of sysle-Lutors aiul kooperative proeesses. In this conlext, positr.mslutioiKil effeets induced by ihe extracellular cMMiomncni play a decisive role in intluencing the the-rapeutk· success. Essenlial physical paramcters for tesimt! the exlraeellular environment are the extent of acidituation of tuinor eells and their oxygen consumplion. These parameters exert, äs a result of evolution, global legulatory funetions and also control the enzymatic setup and aclivily of cells. Of great assistance in evaluating the nialignant potential of cells and tissues and in developing suitable individualized therapeutic concepts are the Implementation of planar multiparametric microsensor arrays in glass and silicon lechnology, on which cells and tissues ean be directly cultivated. Such array N\ stems are being developed by our group and are presentK m tnal Operation. New technical developments and reeent results are to presented. l· IN LEITUNGIn den vergangenen Jahren wurde eine Legion inkonsistenter phänotypischer und genotypischer Veränderungen an Tumorzellen veröffentlicht, deren Bedeutung beim neoplastischen Wachstum von Zellen immer noch unklar bleibt. Diese Feststellung wird auch zunehmend von anderen Autoren geteilt (u.a. [1]). Eigene elektronenoptisch-bildanalytische und elektronenstrahl-mikroanalytische, immunhistochemische und mikrophysiologische Untersuchungen an Brust-, Lungen-, Magen-und Harnblasentumoren bestätigen ebenfalls die große Heterogenität des neoplastischen Phänotypes, so daß wir visualisierbare biohybride mikroelektronische Systeme konzipierten, mit denen eine nichtinvasive Charakterisierung des physiologischen und morphologischen Verhaltens neoplastischer Zellen und Gewebe unter möglichst wirklichkeitsnahen Bedingungen realisiert werden sollte. Dies um so mehr, da Ergebnisse aus Experimenten, Modellierungen und Simulationen gezeigt hatten, dass der extrazellulären Ansäuerungsleistung der Zellen und damit dem pH in deren Mikroumgebung eine elementare strategische Bedeutung für das weitere Schicksal der Tumorzellen zukommt [2].So stellen beispielsweise der extrazelluläre pH und der pÜ2 des Mikromilieus wichtige Größen für die Steuerung des zellulären Wachstums Lind der Kontaktinhi-bition dar; das Wachstumsoptimum für Tumorzellen ist beispielsweise zu niedrigen pH-Werten hin verschoben, die Prolifcrationsaktivität und die Tumorzellinvasion werden gefördert und der durch die Säureextrusion leicht ins Alkalische verschobene innere pH-Wert der Zelle scheint zudem eine Verstärkung der proliferativen Signalkette zu bewirken. Die Bindung an die lokale Matrix und deren Auflösung ist der kritischste Schritt bei der Invasion von Tumorzellen. Die pH-Abhängigkeit des invasiven Tumorwachstums ist gut belegt und stellt einen wichtigen Kofaktor für die Regulation des Abbaus der extrazellulären Matrix und der Tumorzellinvasion dar.