Anwenden von Mikrofluidik zur Elektrophysiologie
1. Oktober 2007
Mein Name ist Dave Edington. Ich bin Assistenzprofessor am Department of Bioengineering an der University of Illinois in Chicago. Und der Bereich, in dem wir hauptsächlich arbeiten, ist die Anwendung von Mikrotechnologien auf biomedizinische Anwendungen, insbesondere mit mikrofluidischen Geräten.
Und heute zeigen wir Ihnen eines unserer Projekte, bei dem ein mikrofluidisches Gerät verwendet wird, das sich an eine Standard-Perfusionskammer für Gehirnscheiben anpasst, um eine räumliche und zeitliche Stimulation eines Gehirnschnitts zu ermöglichen. Derzeit sind die Hauptanwendungen von Neurotransmittern in der Elektrophysiologie entweder global über den gesamten Gehirnschnitt verteilt. Wir stimulieren den gesamten Gehirnschnitt auf einmal oder verwenden eine Mikropipette, um Neurotransmitter zu verschiedenen Zeitpunkten aufzupaffen.
Die Gehirnscheibe ist eine sehr komplexe Struktur, und wenn man global Neurotransmitter anwendet oder eine Mikropipette verwendet, kann man keine In-vivo-Stimulationsmuster reproduzieren. Mit unserer Plattform sind wir in der Lage, die Stimulation auf sehr spezifische Regionen im gesamten Gehirnspleiß zu steuern und eine eher in vivo-ähnliche Stimulation zu erreichen. So werden hier aktuelle Perfusionssysteme gezeigt, bei denen sie an einen handelsüblichen Deckglasschieber andocken.
Und diese ermöglichen es, die Medien über die gesamte Scheibe zu perfundieren. Sie können jedoch die Auflösung des Neurotransmitters, mit dem Ihr Stimulans ausgestattet ist, nicht räumlich steuern. Deshalb haben wir ein Micro-Flic-Gerät entwickelt, das an diese Standard-Profusionskammer andockt.
So können alle gängigen elektrophysiologischen Assays verwendet werden. Und der einzige Unterschied besteht darin, dass anstelle eines Glasdeckels der Glasboden ein A-P-D-M-S-Gerät besteht, das mehrere Durchgangslöcher hat, die mit mikrofluidischen Kanälen verbunden sind, die mit Öffnungen an dieser oberen Profusionskammer verbunden sind, die wir dann durch diese Löcher stimulieren können, durch die Kanäle, aus den Durchkontaktierungen und in die Gehirnscheibe. Und wir verwenden eine Technik namens passives Pumpen, um die Flüssigkeiten zu fördern.
Wir brauchen also keine komplexen Schläuche, die aus diesem Gerät herauskommen, denn Elektrophysiologie ist bereits ein sehr komplexes Verfahren. Und durch die Vereinfachung des Gerätedesigns und die Verwendung von passivem Pumpen vereinfachen wir das experimentelle Protokoll für die Anwendung dieses mikrofluidischen Geräts. Die Struktur des Geräts ist ein zweischichtiges mikrofluidisches Netzwerk.
Die erste Schicht besteht aus den Routingkanälen, die mit den Auslassanschlüssen verbunden sind, und die zweite Schicht besteht aus diesen Durchgangslöchern, die diese Kanäle mit dem Bohrloch verbinden. Diese Fertigung erfolgt also unter Verwendung von standardmäßigen zweischichtigen U-Mikrofabrikationsschritten, bei denen wir einige Ausrichtungsmarkierungen haben, die sicherstellen, dass diese Durchkontaktierungen direkt in der Mitte dieser vier Kanäle positioniert sind. Daher ist dieses Gerät so konzipiert, dass es an die Standard-Profusionskammer angedockt werden kann, so dass dieselben elektrophysiologischen Assays verwendet werden können.
So können wir dies auf ein elektrophysiologisches Rig bringen, unser Ziel einbeziehen, eine lokale Stimulation durch unsere mikrofluidischen Kanäle bereitstellen und den Versuchsaufbau nicht unnötig über das hinaus verkomplizieren, was er benötigt. Indem wir also das Gerätedesign so einfach wie möglich halten, können wir diese Plattform viel einfacher verbreiten. Unsere Struktur im Moment besteht darin, dass wir diese vier Vs in der Mitte unserer mikrofluidischen Kanäle haben, aber diese können an unterschiedliche Laborbedürfnisse angepasst werden, je nachdem, welche Region des Gehirns untersucht wird.
Eine Region könnte also den Hippocampus und eine den äußeren Kortex untersuchen. Und so konnten wir diese Regionen stimulieren, je nachdem, wie wir dieses mikrofluidische Gerät entwerfen. Und da das Gerät für den Betrieb keine externen Komponenten benötigt, benötigen Sie lediglich eine Mikropipette, um mit der passiven Pumptechnik auf diese Öffnungen zu pipettieren.
Es gibt keine zusätzlichen Geräte über dieses untere Substrat hinaus, die das Standard-Elektrophysiologielabor erwerben muss, um dieses Gerät zu verwenden. Bis zu diesem Punkt des Projekts haben wir uns darauf konzentriert, die mikrofluidischen Kanäle an die Standard-Profusionskammern anzudocken. Und jetzt ist der nächste Teil des Projekts das Testen dieses Geräts in tatsächlicher hypothesengetriebener Forschung mit diesen Scheibenpräparaten.
Und so haben wir gezeigt, dass wir mit der Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen verschiedene Regionen räumlich stimulieren können, indem wir diese fluoreszierenden Analoga in die Kanäle injizieren. Und der nächste Schritt besteht darin, die echten biologischen Experimente durchzuführen. Das Gebiet der Mikrofluidik kommt also an einen Übergangspunkt.
Wir gehen über neuartige Proof-of-Concept-Demonstrationen hinaus und nutzen diese Geräte wirklich, um neue und aufregende Dinge zu entdecken, die zuvor unmöglich waren. Das Feld bewegt sich also weg von Techniken, bei denen wir Prinzipien verwendet haben, die auf der Mikroskala verfügbar sind, wie z. B. schnelle Diffusion, laminare Strömung und große Service-zu-Volumen-Verhältnisse und Prozessintegration. Und jetzt werden wir diese nutzen und anwenden, um unerfüllte Bedürfnisse im Labor und in der Klinik zu lösen.
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Übersicht
In diesem Artikel wird die Anwendung von mikrofluidischen Vorrichtungen in der Neurowissenschaft behandelt, insbesondere für die räumlich-zeitliche Stimulation von Gehirnschnitten. Die Methode verbessert die Präzision der Neurotransmitterapplikation im Vergleich zu herkömmlichen Techniken.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Bioingenieurwesen
- Mikrofluidik
Hintergrund
- Elektrophysiologische Schnittpräparationen werden häufig in der Neurowissenschaft verwendet.
- Aktuelle Methoden der Neurotransmitterapplikation sind in ihrer Präzision begrenzt.
- Mikrofluidische Vorrichtungen bieten einen neuartigen Ansatz, um Stimulationsverfahren zu verbessern.
- Herkömmliche Perfusionskammern für Gehirnschnitte können zur Steigerung der Funktionalität angepasst werden.
Zweck der Studie
- Eine mikrofluidische Vorrichtung vorstellen, die eine räumlich-zeitliche Stimulation von Gehirnschnitten ermöglicht.
- Die Applikation von Neurotransmittern in elektrophysiologischen Studien verbessern.
- Eine besser kontrollierbare Umgebung für Experimente mit Gehirnschnitten bereitstellen.
Verwendete Methoden
- Entwicklung einer mikrofluidischen Vorrichtung, die mit Perfusionskammern für Gehirnschnitte kompatibel ist.
- Anwendung von Neurotransmittern mittels des mikrofluidischen Systems.
- Vergleich von Stimulationsmethoden: global versus lokalisiert.
- Elektrophysiologische Messungen zur Beurteilung der Wirksamkeit der Stimulation.
Hauptergebnisse
- Das mikrofluidische Gerät ermöglicht eine präzise Steuerung der Neurotransmitterzufuhr.
- Die räumlich-zeitliche Stimulation zeigt verbesserte Ergebnisse im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
- Verbesserte experimentelle Ergebnisse bei Hirnschnittpräparationen.
- Potenzial für weiterreichende Anwendungen in der Neurowissenschaftsforschung.
Schlussfolgerungen
- Mikrofluidische Vorrichtungen verbessern die Applikation von Neurotransmittern in Gehirnschnitten erheblich.
- Diese Technologie kann elektrophysiologische Untersuchungen und verwandte Forschungsarbeiten voranbringen.
- Zukünftige Studien könnten weitere Anwendungen dieser Methode untersuchen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Integration der Mikrofluidik mit der Elektrophysiologie adressiert ein zentrales, bisher unerfülltes Bedürfnis in der Neurowissenschaftsforschung: die räumlich und zeitlich kontrollierte Zufuhr von Neuromodulatoren zu Gehirnschnitten. Indem sie regionspezifische Stimulationsmuster ermöglicht, die in-vivo-Bedingungen besser nachahmen, verbessert die Plattform das Vorhersagevertrauen bei der Zielvalidierung und die mechanistische Entlastung von Risiken in Programmen zur Wirkstoffforschung für das zentrale Nervensystem. Das vereinfachte, passiv gepumpte Design unterstützt eine breite Anwendung in verschiedenen elektrophysiologischen Arbeitsabläufen, ohne dass spezielle Infrastruktur erforderlich ist.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch präzise räumliche Steuerung der Anwendung von Neuromodulatoren in definierten Hirnregionen.
- Operationaler Wert: Macht die Handhabung von Mikropipetten überflüssig und verringert so die technische Variabilität in Experimenten zur Neurotransmitterabgabe.
- Prädiktiver Wert: Unterstützt die funktionelle Validierung von Zielstrukturen, da physiologisch relevantere Stimulationsmuster erzeugt werden können als bei globaler Perfusion.
Screening und Assay-Entwicklung
- Assay-Bereitschaft: Bereitet validierte Gehirnschnittsysteme für die nachgeschaltete Wirkstoff-Screening vor, indem reproduzierbare, lokalisierte Stimulationsprotokolle etabliert werden.
- Quantitative Ausgabe: Ermöglicht die Messung regionsspezifischer elektrophysiologischer Antworten und damit Dosis-Wirkungs- sowie kinetische Analysen.
- Plattform-Wiederverwendung: Kann durch Neugestaltung der mikrofluidischen Kanäle an verschiedene Hirnregionen (z. B. Hippocampus, Kortex) angepasst werden und unterstützt so Screening-Kampagnen mit mehreren Zielstrukturen.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationale Kontinuität: Verbindet Entdeckungs- und präklinische Phase, indem ein krankheitsrelevantes System bereitgestellt wird, um die Wirkung von Neuromodulatoren in strukturiertem Nervengewebe zu testen.
- Mechanistische Entlastung von Risiken: Klärt wegweisspezifische Arzneimittelwirkungen durch isolierte regionale Stimulation und verringert so die Uneindeutigkeit bei Target-Engagement-Studien.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen, indem regionabhängige Wirksamkeit und Off-Target-Signale früh im Entdeckungsprozess sichtbar werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess von der frühen Target-Validierung bis zur präklinischen Bewertung und ermöglicht räumlich aufgelöste mechanistische Untersuchungen, die das Vertrauen in die Auswahl von ZNS-Targets und die Optimierung von Leitverbindungen erhöhen.
- Entdeckungsbasierte Biologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung und die Aufklärung von Signalwegen, indem sie die Isolierung unabhängiger Variablen (z. B. regionale Exposition gegenüber Neuromodulatoren) in komplexen neuronalen Präparationen ermöglicht.
- Screening: Verbessert die Reproduzierbarkeit von Assays und quantitative Auswertungen durch standardisierte, passiv pumpengetriebene Flüssigkeitszufuhr über mikrofluidische Kanäle.
- Analytik: Erzeugt bedingungsspezifische elektrophysiologische Messungen, die es Teams ermöglichen, regionale Antworten zu vergleichen und Wirksamkeit sowie Selektivität von Stimulanzien zu bewerten.
- Translationale Forschung: Schafft einen Bezug zur präklinischen Kontinuität, indem Gehirnschnitte als krankheitsrelevante Systeme zur Bewertung der Wirkung von Neuromodulatoren in erhaltener Gewebearchitektur verwendet werden.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Als wiederverwendbare Plattform konzipiert, die mit standardmäßigen Perfusionskammern kompatibel ist und so den Bedarf an erneuter Validierung zwischen Laboren und Projekten minimiert.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Target-Validierung, indem mechanistische Unschärfen durch räumlich kontrollierte Stimulation verringert werden.
- Operationaler Wert: Verbessert die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit durch passives Pumpen und eliminiert die Abhängigkeit von externen Pumpen oder komplexen Schläuchen.
- Strategischer Wert: Steigert die Kapitaleffizienz, indem multiplexierte regionale Tests in einem einzigen elektrophysiologischen Aufbau ermöglicht werden, wodurch eine Verdopplung von Assays reduziert wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung, indem klarere Struktur-Wirkungs-Beziehungen und Target-Bindungsdaten über verschiedene Hirnsubregionen hinweg bereitgestellt werden.
Durchlegungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse im Umgang mit mikrofluidischen Vorrichtungen und der Integration in elektrophysiologische Versuchsaufbauten.
- Hängt vom Zugang zu standardmäßigen Perfusionskammern für Gehirnschnitte und mikroskopischen Abbildungssystemen ab.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg, um eine konsistente Andockung der Vorrichtungen und Ausrichtung der Kanäle zwischen verschiedenen Nutzern zu gewährleisten.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen bei der Zielregion im Gehirn, die durch Neugestaltung der Durchkontaktierungen und Kanalstrukturen in der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgen.
- Ist durch die Notwendigkeit fluoreszenter oder elektrophysiologischer Validierung eingeschränkt, um eine erfolgreiche Zufuhr von Neuromodulatoren zu den Zielregionen zu bestätigen.
