Extracellular stimulation of individual electrogenic cells with micro-scaled electrodes

• Extrazelluläre Stimulation einzelner elektrisch aktiver Zellen mit Mikroelektroden

Eick, Stefan; Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Die Schnittstelle zwischen biologischer und elektronischer Informationsverarbeitung in bioelektronischen Hybridsystemen ist ein faszinierendes Forschungsfeld. Neben medizinischen Anwendungen, wie der Entwicklung und Verbesserung von Neuroprothesen, ermöglicht es grundlegende Untersuchungen an dissoziierten neuronalen Kulturen oder Gehirnschnitten. Ziel dieser Untersuchungen ist es die Entwicklung, Plastizität und Informationsverarbeitung von neuronalen Netzwerken aufzuklären. Hierfür werden stabile Systeme und Bauelemente für Langzeituntersuchungen mit zahlreichen Einzelzell-Schnittstellen für extrazelluläre Stimulation und Ableitung benötigt, um präzisen Zugriff auf das Netzwerk von Zellen oder Gewebe zu erhalten. Im Fokus dieser Doktorarbeit stand dabei die Untersuchung der extrazellulären Stimulation von einzelnen elektrisch aktiven Zellen in vitro mit oberflächengebundenen Mikroelektroden. Zu diesem Zweck wurde ein neues elektrophysiologisches Messsystem, inklusive Bauelementen und einem vielseitigen und anpassbaren Verstärker, entwickelt. Dieser Verstärker besteht aus einem allgemeinen Hauptverstärker für impedimetrische und elektrophysiologische Experimente und mehreren Vorverstärkern. Jeder Vorverstärker ist auf jeweils einen speziellen Chiptyp abgestimmt, wie z.B. Multielektrodenchips (Englisch: multi-electrode array, MEA) oder integrierte Chips mit Mikroelektroden für Stimulation und Feldeffekttransistoren für Ableitungen. Der neu entwickelte Verstärker wurde getestet und in einen Patch-Clamp Aufbau für intrazelluläre Ableitungen integriert. In einem iterativen Prozess wurden Mikroelektroden mit einer Iridiumoxidbeschichtung (Englisch: sputtered iridium oxide film, SIROF) zur Verbesserung der Stimulationseigenschaften entwickelt. Im Vergleich zu konventionellen Gold- und Platinelektroden hatten die rauen und porösen SIROF-Elektroden eine geringere Impedanz, eine höhere Ladungsspeicherkapazität und damit insgesamt verbesserte elektrochemische Eigenschaften. Durch wiederholte Zellkulturen, elektrophysiologische Experimente und Reinigung konnten die Biokompatibilität und die Stabilität der Chips nachgewiesen werden. Das neue Setup und die neuen Elektroden wurden für Experimente mit Neuronen aus dem Kortex der Ratte und anderen elektrisch aktiven Zelllinien angewendet. Einzelne Human Embyronic Kidney 293 Zellen mit dem NaV1.4 Natriumkanal konnten auf kontrollierte Art und Weise bis zur Auslösung von Pseudo-Aktionspotentialen (APs) stimuliert werden. Um Stimulationsmechanismen und den Einfluss von experimentellen Parametern auf den Stimulationserfolg zu untersuchen, wurden die Messdaten analysiert und mit numerischen Simulationen verglichen. Erstmals wurden Iridiumoxidelektroden erfolgreich für die extrazelluläre Stimulation von einzelnen Neuronen aus einer dissoziierten Kultur angewendet. Zwei grundlegende Stimulationsmechanismen konnten identifiziert werden, welche beide zu einer selbstverstärkenden Depolarisation des Membranpotentials und der Auslösung eines APs führen konnten. Zusätzlich wurde erfolgreich elektrische Aktivität von der HL-1 Herzmuskelzelllinie abgeleitet. Die entwickelten MEAs und SIROF Schichten zeigten hervorragende elektrochemische Eigenschaften, waren stabil und biokompatibel und wurden erfolgreich für die extrazelluläre Stimulation und Ableitung angewendet. Folglich bilden sie ein ideales System für die bidirektionale Kommunikation mit elektrisch aktiven Zellen in vitro.

Einrichtungen

• Fachgruppe Physik [130000]
• Lehrstuhl für Experimentalphysik IV B (FZ Jülich) [134210]
• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]