Neue Biochip-Generation

Die Gruppe um Prof. Dr. Andreas Hierlemann von der ETH Zürich entwickelt seit mehr als 15 Jahren Mikroelektrodenchips. Diese Chips können das Wachstum von Nervenzellen in Zellkulturschalen anregen, und die Forscher können mit ihnen die Aktivität jeder einzelnen Zelle eines zusammenhängenden Neuronengewebes genau untersuchen. Allerdings mussten die Forscher sich bisher vorher entscheiden, welche Nervenzellen angeregt werden sollen. Denn notwendige Verstärker, die eingebaut werden mussten, um auch schwache Signale, zum Beispiel von bestimmten Stammzellen zu erkennen, benötigten relativ viel Platz. So war es nur möglich, die Signale von 1.000 der 20.000 Elektroden zu verstärken und auszulesen.

Den Wissenschaftlern um Hierlemann gelang es nun in Zusammenarbeit mit dem Team von Urs Frey von Maxwell Biosystems, einem ETH-Spin-off, eine neue Chip-Generation zu entwickeln. Im Vergleich zu den altbekannten Chips wurden dabei kleinere Verstärker aufgebracht. Damit war es möglich, die Signale aller Mikroelektroden gleichzeitig zu verstärken und auszulesen. Allerdings trat nun ein höheres Hintergrundrauschen auf, das reduziert werden musste. Und die Forscher fanden eine Lösung. Sie griffen wieder auf einige der leistungsstärkeren, größeren Verstärker zurück. Diese stellen fest, wann es in der Zellkulturschale zu Nervenimpulsen kommt. Die Signale werden dann zu den Zeitpunkten auf den anderen Elektroden gesucht und mehrere solcher aufeinanderfolgenden Signale gemittelt. Das Ergebnis ist ein genaues Bild der Signalaktivität im gesamten Messbereich. "Mit den bisherigen Generationen von Mikroelektrodenchips konnten wir maximal 50 Nervenzellen vermessen. Der neue Chip erlaubt es uns, auf Anhieb detaillierte Messungen an über 1.000 Zellen in einer Kultur zu machen", so Hierlemann.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in Nature Communications. Ihre Methode demonstrierten sie nicht nur an menschlichen iPS-Zellen, sondern auch an Hirnschnitten, Augennetzhaut, Herzzellen sowie an sogenannten Neuronensphäroiden.

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