Mikroelektroden-Array-Neurochip
Aufzeichnungen von zellulärer elektrischer Aktivität werden meistens in Kultur mit Glasmikroelektroden einschließlich Salzlösung durchgeführt.
Diese Elektroden werden mit einem Mikromanipulator intra- bzw. extrazellulär an der Zellmembran positioniert und können dann die
Aktionspotenziale einer aktiven Zelle aufzeichnen.
Bei dieser Methode besteht die Gefahr, dass die Zellmembran beschädigt und
die ganze Zelle bzw. das ganze Netzwerk zerstört wird. Darüber hinaus ist es schwierig und sehr zeitaufwendig, mit mehreren
Glaselektroden gleichzeitig in vivo oder in vitro zu arbeiten; dadurch ist die Anzahl möglicher Messorte für simultane und langzeitige
intrazelluläre Ableitungen beschränkt.
Um diese Probleme zu vermeiden, werden ebenfalls spannungssensitive Farbstoffe für die
Messung der elektrischen Aktivität von Zellen verwendet; dabei können andere Probleme wie Toxizität entstehen, die die Messdauer
einer Kultur üblicherweise auf 30-60 Minuten begrenzen.
Eine Alternative zu diesen Methoden ist die Verwendung von extrazellulären Ableitelektroden, die sich außerhalb der Zelle befinden
und das extrazelluläre Spannungssignal aufnehmen. Seit den ersten Arbeiten von Thomas et al. (1972) und den ersten erfolgreichen
Aufzeichnungen von neuronalen Aktionspotenzialen mit Mikroelektroden-Chips (Gross et al., 1977) hat die stetige Entwicklung nun
einen Punkt erreicht, an dem die routinemäßige Beobachtung der internen Vorgänge von Netzwerken bei Säugernervenzellen möglich
ist.
Das Wachstum von Netzwerken auf Trägern mit dicht gepackten Mikroelektroden-Arrays (MEA-Neurochips) liefert Zellkulturen, die
langzeitige und kontinuierliche Aufzeichnungen von einer Vielzahl von Messstellen in vitro und die Beobachtung der Signalübertragung
zwischen vielen Zellen ermöglichen. MEA-Neurochips ermöglichen darüber hinaus nicht-invasive, langzeitige Aufzeichnungen und
Echtzeitanalysen von Aktionspotenzialmustern von bis zu 256 verschiedenen Neuronen in Kurz- und Langzeituntersuchungen und
sind gleichzeitig optisch zugänglich für die Beobachtung der Netzwerkentwicklung.
Die MEA-Neurochips werden mit standardisierter, photolithographischer Technik hergestellt. Kommerziell erhältliche Indium-Zinnoxid-
(ITO) oder goldbeschichtete Glasträger werden photolithographisch strukturiert, mit Polysiloxan isoliert, und die Isolation wird über den
Elektroden wieder geöffnet. Die Elektroden werden galvanisch mit einer dünnen Goldschicht belegt, um die Impedanz auf ca. 2-4 MOhm
zu vermindern.
Die MEA-Neurochips werden für die Messungen in einer sterilen Dauerüberstand-Messkammer eingebracht und bei 37°C, pH 7.4 und
einem befeuchteten Luftstrom mit 10% CO
2 gehalten. Aufzeichnungen erfolgen mit dem Vielkanal-Aufzeichnungssystem der Fa.
Plexon Inc. (Dallas, USA), und einem PC-gesteuerten, 64-kanaligem Verstärkersystem, welches Daten von Einzelneuronen liefert.
Spikeerkennung und -separation basieren auf einem Template-Matching-Algorithmus. Die Amplitude der routinemäßig aufgezeichneten
Signale liegt üblicherweise zwischen 100-500µM, mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis.
NeuroProof verbessert die MEA-Neurochip-Technologie mit eigener Chipentwicklung und fertigt neue Chipdesigns für spezifische
Anwendungen an.
