Veröffentlicht: 26.01.09
Bioelektronik

Kleinste elektrische Signale von Zellen messen

Ein interdisziplinäres Forschungsteam hat ein System von integrierten Mikroelektroden entwickelt, die im subzellulären Bereich elektrische Felder messen können. Damit lässt sich in einzelnen Zellen verfolgen, wie sich Potenziale verändern, wie Netze von interagierenden Zellen kommunizieren und wie sich verhalten.

Peter Rüegg
Hühner-Ganglionzellen liegen direkt auf den Sensoren, mit denen die Forscher elektrische Felder messen. (Bild: Bild: K.M. ZMB/UZH, U.F. D-BSSE).
Hühner-Ganglionzellen liegen direkt auf den Sensoren, mit denen die Forscher elektrische Felder messen. (Bild: Bild: K.M. ZMB/UZH, U.F. D-BSSE). (Grossbild)

Forscher der ETH Zürich unter der Leitung von Andreas Hierlemann, Professor für Biosystems Engineering am D-BSSE, haben Sensoren entwickelt, um elektrische Signale von Zellen oder Zellnetzwerken im subzellulären Bereich zu messen. Mit diesem Sensor können die charakteristischen Eigenschaften von z.B. neuronalen Netzwerken bis zu einer Einzelzelle in hoher räumlicher aber auch zeitlicher Auflösung dargestellt werden, die bisher noch nicht übertroffen wurde.

Die Methode und erste Ergebnisse wurde soeben in der Fachzeitschrift «Biosensors and Bioelectronics» publiziert. «Das Paper zeigt keine komplett neuen biologischen Erkenntnisse, es zeigt jedoch das extrazelluläre Feld einer Nervenzelle in noch nie erreichter Auflösung, so dass für zukünftige Experimente das grosse Potenzial ersichtlich wird», gibt Erstautor Urs Frey, Postdoc der Elektrotechnik, zu verstehen.

Grösstmögliche räumliche Auflösung

Das Herzstück ist der Sensorchip, der über insgesamt 11'000 Elektroden auf einer Fläche von 2 mal 1.75 mm verfügt, das heisst pro Quadratmillimeter sind 3150 Elektroden vorhanden. Jeweils 126 «beliebige» Elektroden können ausgewählt werden, um gleichzeitig Signale aufzuzeichnen oder Stimulationssignale an die Zellen abzugeben. Das Sensorsystem vereint eine integrierte Schaltung, die Sensoren (Elektroden), einen Verstärker; Signalfilter und Analog-Digital-Wandler auf einer Fläche von nur 7.5 mal 6.1 mm. Dazu kommt eine einfache Apparatur, um die Signale weiter zu verarbeiten und schliesslich auf dem Computer zu analysieren.

Mit dem Chip ist es möglich, besser zu erforschen, wo elektrische Signale in Zellen oder Zellnetzwerken entstehen, und wie und mit welcher Geschwindigkeit sie sich fortpflanzen. Gegenüber anderen Techniken, wie beispielsweise der Patch Clamp-Technik, hat der neue Chip den Vorteil, dass er nebst der hohen Auflösung einfach in der Handhabung ist und keine invasive Technik darstellt. Dafür liefert der Chip hochkomplexe Datensätze von vielen Messelektroden gleichzeitig, die sich nicht ohne weiteres interpretieren lassen. Dazu braucht es ausgefeilte Software-Lösungen, welche für jeden Zelltyp und jedes Zellsystem verschieden sein können.

Die Probe, etwa Hirn-, Herz- oder allenfalls auch Netzhautzellen, also alles Zellen, die mit elektrischen Signalen arbeiten – kann direkt auf den Chip aufgebracht und kultiviert werden.

Rauschen eliminiert

Die Entwicklung des Chips war technisch sehr anspruchsvoll. Weil Zellmaterial und Salzlösung direkt auf den Chip gegeben werden, braucht es spezielle Dichtungen und Materialien, die unter diesen aggressiven Bedingungen nicht zerstört werden. «Biologie und Chip müssen verträglich sein», sagt Frey.

Ein besonderes Problem solch miniaturisierter Systeme ist das Signal-Rausch-Verhältnis. Die Zellsignale sind teilweise sehr schwach und können durch das Rauschen der Elektronik überdeckt werden. Die Forscher haben deshalb darauf verzichtet, von jeder Elektrode gleichzeitig «auszulesen», weil damit jede aufzeichnende Elektrode einen Mini-Verstärker gebraucht hätte. Stattdessen wurden grössere, rauscharme Verstärker ausserhalb der eigentlichen Sensorfläche platziert und dafür eine sehr flexible Architektur zur Auswahl der Sensorelemente entwickelt.

Immerhin wurden rund 20 Mannjahre sowie ein interdisziplinäres Forschungsteam gebraucht, um den Chip soweit zu bringen, dass er nun weltweit in Hochschullabors gebraucht werden kann. Am Projekt beteiligt waren Forscherinnen und Forscher aus der Biologie, der Elektrotechnik, Materialwissenschaft und Informatik sowie der Physik.

Auflösung steigern

Anwendungen für den neuartigen Sensor liegen zum Beispiel in der Pharmakologie. So kann man Medikament oder potenzielle Wirksubstanzen auf Hirnschnitte geben und mit dem Sensor messen, wie und wo sich das elektrische Potenzial ändert. Dies lässt Aussagen darüber zu, ob und wie gewisse Substanzen auf Zellen und ihre Reizleitung wirken.

Die Forscher vom D-BSSE arbeiten nun an einer neuen Chip-Version mit noch besserer Auflösung. Geplant ist, dass sie bis 1000 Signale aus 15‘000 oder mehr Elektroden abgreifen können. Damit wären noch genauere Analysen der zellulären Reizleitung möglich. «Auch die Software lässt sich unendlich lange weiterentwickeln», schmunzelt Frey. Und schliesslich soll die Apparatur soweit vereinfacht werden, so dass auch Nicht-Spezialisten damit arbeiten können. Sprich: es braucht Software, die sich «anpasst» und eine Benutzerführung, die es auch einem Laien ermöglicht, mit dem Chip zu arbeiten.

Literaturhinweise:

Frey U, Egert U, Heer F, Hafizovic S, Hierlemann A. Microelectronic system for high-resolution mapping of extracellular electric fields applied to brain slices. Biosensors and Bioelectronics. 2008. Available online 7 december 2008. doi: 10.1016/j.bios.2008.11.028
C. D. Sanchez-Bustamante, U. Frey, J. M. Kelm, A. Hierlemann, and M. Fussenegger, Modulation of Cardiomyocyte Electrical Properties Using Regulated Bone Morphogenetic Protein-2 Expression, Tissue Engineering Part A, vol. 14, no. 12, pp. 1969-1988, 2008. http://dx.doi.org/10.1089/ten.tea.2007.0302.

 
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