Mikroelektrodenchips der ETH untersuchen tausende Nervenzellen gleichzeitig

Seit mehr als fünfzehn Jahren entwickelt die Gruppe von ETH-​Professor Andreas Hierlemann Mikroelektrodenchips, mit denen man Nervenzellen in Zellkultur präzise elektrisch anregen sowie die Aktivität der Zellen messen kann. Die Entwicklungen ermöglichen es, Nervenzellen in Zellkulturschalen wachsen zu lassen und mit dem am Kulturschalenboden liegenden Chip jede einzelne Zelle eines zusammenhängenden Neuronengewebes genau zu untersuchen. Alternative Messmethoden haben demgegenüber deutliche Einschränkungen: Sie sind entweder sehr aufwendig, weil zu jeder Zelle einzeln ein Kontakt hergestellt werden muss, oder man muss dazu Fluoreszenzfarbstoffe verwenden, welche das Verhalten der Zellen und somit die Experimente beeinflussen.

Forschende aus Hierlemanns Gruppe am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel haben nun zusammen mit Urs Frey vom ETH-​Spin-off Maxwell Biosystems und seinen Mitarbeitenden eine neue Generation solcher Mikroelektrodenchips entwickelt, welche empfindliche Aufzeichnungen von gleichzeitig wesentlich mehr Elektroden als bisher sowie neue Anwendungen ermöglichen.

Wie bei bisherigen Chipgenerationen befinden sich bei den neuen Chips rund 20'000 Mikroelektroden auf einer Fläche von 2 mal 4 Millimetern. Um auch verhältnismässig schwache Nervenimpulse zu erkennen, muss das Signal dieser Elektroden verstärkt werden. Mit schwachen Signalen haben es die Wissenschaftler beispielsweise bei Nervenzellen zu tun, die sie aus bestimmten Stammzellen, den sogenannten iPS-​Zellen, gewonnen haben. Diese kommen heute bei vielen Zellkultur-​Krankheitsmodellen zum Einsatz. Ebenfalls deutlich verstärkt werden müssen die Signale, wenn die Forschenden Nervenimpulse in einem Axon (einem feinen, faserartigen Fortsatz von Nervenzellen) verfolgen möchten.

Verstärkungselektronik braucht Platz. Daher konnten beim bisherigen Chip nur Signale von 1000 der 20'000 Elektroden gleichzeitig verstärkt und ausgelesen werden. Die entsprechenden Elektroden waren zwar frei wählbar, mussten vor einer Messung jedoch festgelegt werden. Empfindliche Messungen waren somit bisher nur für einen Teilbereich des Chips möglich.