Anwenden von Mikrofluidik zur Elektrophysiologie

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.