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Detektion neuroaktiver Substanzen durch Modifikation des Aktivitätsmusters neokortikaler Netzwerke auf Multielektrodenarrays – Charakterisierung und Optimierung eines neuronalen Biosensors

By Melanie Jungblut

Abstract

In dieser Arbeit wurden kortikale neuronale Netzwerke auf Multielektrodenarrays auf ihre Tauglichkeit als zellbasiertes Biosensorsystem untersucht. Der Schwerpunkt der pharmakologischen Untersuchungen an den ausgereiften kortikalen Netzwerken lag auf dem Einsatz von Substanzen, welche auf den GABAA-Rezeptor einwirken. Die Modifikation des spontan generierten Aktivitätsmusters ließ dabei Rückschlüsse auf die Wirksamkeit und den Wirkungsmechanismus der Testsubstanzen zu. Ferner war in den meisten Fällen eine Diskriminierung der auf den gleichen Rezeptor einwirkenden Substanzen möglich. Die Analyse der Spikerate und verschiedener auf Bursts beruhender Messparameter machte deutlich, dass die Burstrate bei den extrazellulären Ableitungen auf Netzwerkebene den sensitivsten und verlässlichsten Parameter zum Nachweis der Substanzeffekte darstellte. Durch die Verwendung kortikaler Netzwerke unter optimierten Kulturbedingungen und einer auf das System abgestimmten Analysesoftware konnte die Reproduzierbarkeit und Sensitivität im Vergleich zu anderen Studien deutlich verbessert werden. Um die extrazelluläre Signalableitung von einer möglichst geringen Zellanzahl und damit einem überschaubaren zellulären Netzwerk auf Multielektrodenarrays zu ermöglichen, wurden die Oberflächeneigenschaften der Substrate so modifiziert, dass die Lokalisation der Zellsomata und das Auswachsen der Neurite einer geometrischen Kontrolle unterlag. Die kontrollierte Substratbeschichtung des Adhäsionspromotors Poly-D-Lysin in einem triangulären Muster konnte dabei durch die Methode des Mikrokontaktstempelns realisiert werden. Durch das kontrollierte Zellwachstum konnte die extrazelluläre Ableitung von Netzwerken einer geringen Zelldichte über einen Zeitraum von mehreren Wochen ermöglicht werden. Die Untersuchung struktureller und morphogenetischer Eigenschaften, sowie elektrophysiologische Untersuchungen der strukturierten Netzwerke bewiesen, dass die kontrollierte Substratbeschichtung sich nicht negativ auf das Wachstum, die Synaptogenese und die Funktionalität auswirkte.Neocortical networks cultured on microelectrode arrays (MEAs) offer a robust system for biosensor application by using extracellular multi-unit recording of action potentials and analyzing the electrophysiological effects of neuroactive substances. Electrical activity was quantified by a set of parameters extracted from the network activity profile. A neuroactive agent characteristically modifies these parameters, allowing for analytical as well as functional conclusions, i.e. information about the presence, dose, and mode of action of the test substance. Several parameters were analyzed and it was shown that the burstrate is the most sensitive and reliable. By analyzing the spontaneous activity of the cortical cultures with an optimized software set, reproducibility and sensitivity of the system were significantly enhanced in comparison to other investigations. For further characterization of neuronal activity, networks of limited density and complexity are required. But in low density cultures, the cellular arrangement often performs a poor fit to the electrode positions, which results in the recording of merely a small fraction of cells. To overcome this shortcoming, surface characteristics of the MEAs were modified to promote cell adhesion and growth. The microcontact printing method was used to apply the adhesion promoter poly-D-lysine in a two-dimensional, triangular pattern on the MEA surface. Controlled cell growth, allowed the successful extracellular signal recording of low density networks for several weeks. Morphological and physiological properties of these patterned networks kept up with those of unpatterned cultures, thus offering a promising means to characterize neuronal activity in networks of limited complexity via a combination of surface structuring and multi-unit recording

Topics: neokortikale Netzwerke, Multielektrodenarray, extrazelluläre Ableitung, neuronaler Biosensor, strukturierte neuronale Netzwerke, neocortical networks, microelectrode array, extracellular recording, neuronal biosensor, patterned neuronal networks, Life sciences
Publisher: 10: Biologie. 10: Biologie
Year: 2006
OAI identifier: oai:ubm.opus.hbz-nrw.de:1252
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