Registrering af tusindvis af nervecelleimpulser ved høj opløsning

ETH forskere har udviklet en ny generation af mikroelektrode-array chips til måling af nerveimpulser, så undersøgelser af, hvordan tusindvis af nerveceller interagerer med hinanden.

I over 15 år har ETH professor Andreas Hierlemann og hans gruppe udviklet mikroelektrode-array chips, der kan bruges til præcist at ophidse nerveceller i cellekulturer og til at måle elektrisk celleaktivitet. Denne udvikling gør det muligt at dyrke nerveceller i celle-kultur retter og bruge chips placeret i bunden af skålen til at undersøge hver enkelt celle i en tilsluttet nervevæv i detaljer. Alternative metoder til gennemførelse af sådanne målinger har nogle klare begrænsninger. De er enten meget tidskrævende – fordi kontakt til hver celle skal etableres individuelt – eller de kræver brug af fluorescerende farvestoffer, som påvirker cellernes adfærd og dermed resultatet af forsøgene.

Nu udviklede forskere fra Hierlemanns gruppe ved Institut for Biosystems Science and Engineering i ETH Zürich i Basel sammen med Urs Frey og hans kolleger fra ETH’s spin-off MaxWell Biosystems en ny generation af mikroelektrode-array chips. Disse chips muliggør detaljerede optagelser af betydeligt flere elektroder end tidligere systemer, hvilket åbner op for nye applikationer.

Stærkere signal kræves

Som med tidligere chip generationer, de nye chips har omkring 20.000 mikroelektroder i et område, der måler 2 x 4 millimeter. For at sikre, at disse elektroder opfanger de relativt svage nerveimpulser, skal signalerne forstærkes. Eksempler på svage signaler, som forskerne ønsker at opdage, omfatter dem af nerveceller, der stammer fra humane pluripotente stamceller (iPS-celler). Disse er i øjeblikket anvendes i mange celle-kultur sygdom modeller. En anden grund til at forstærke signalerne er, hvis forskerne ønsker at spore nerveimpulser i axoner (fine, meget tynde fibrøse udvidelser af en nervecelle).

Men højtydende forstærkningselektronik tager plads, hvilket er grunden til, at den tidligere chip samtidig kunne forstærke og aflæse signaler fra kun 1.000 af de 20.000 elektroder. Selv om de 1.000 elektroder kunne vælges vilkårligt, skulle de bestemmes før hver måling. Det betød, at det var muligt at lave detaljerede optagelser over kun en brøkdel af chipområdet under en måling.

I den nye chip er forstærkerene mindre, hvilket gør det muligt at forstærke og måle signalerne fra alle 20.000 elektroder på samme tid. Men de mindre forstærkere har højere støjniveauer. Så for at sikre, at de fanger selv de svageste nerveimpulser, inkluderede forskerne nogle af de større og mere kraftfulde forstærkere i de nye chips og anvender et fiks trick: de bruger disse kraftfulde forstærkere til at identificere de tidspunkter, hvor nerveimpulser forekommer i cellekulturskålen. På disse tidspunkter kan de derefter søge efter signaler på de andre elektroder, og ved at tage gennemsnittet af flere på hinanden følgende signaler kan de reducere baggrundsstøjen. Denne procedure giver et klart billede af signalaktiviteten over hele det område, der måles.

I første forsøg, som forskerne offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications, de viste deres metode på humane iPS-afledte neuronale celler samt på hjernen sektioner, nethinden stykker, hjerteceller og neuronal sfæroider.

Anvendelse i udvikling af lægemidler

Med den nye chip, kan forskerne producere elektriske billeder af ikke kun cellerne, men også udvidelsen af deres axoner, og de kan bestemme, hvor hurtigt en nerve impuls overføres til de fjerneste egne af axoner. “De tidligere generationer af mikroelektrode array chips lad os måle op til 50 nerveceller. Med den nye chip kan vi udføre detaljerede målinger af mere end 1.000 celler i en kultur på én gang,” siger Hierlemann.

Sådanne omfattende målinger er velegnede til at teste virkningerne af lægemidler, hvilket betyder, at forskerne nu kan udføre forskning og eksperimenter med menneskelige cellekulturer i stedet for at stole på laboratoriedyr. Teknologien bidrager således også til at reducere antallet af dyreforsøg.

ETH spin-off MaxWell Biosystems er allerede markedsføring af den eksisterende mikroelektrode teknologi, som nu er i brug rundt om i verden af over hundrede forskergrupper på universiteter og i industrien. I øjeblikket er virksomheden ved at undersøge en potentiel kommercialisering af den nye chip.

 

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *