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Taktgeber im neuronalen Netz: Wichtiger Schritt in Richtung Brain-On-A-Chip-Systeme

Biophysikern aus Augsburg und Santa Barbara konnten erstmals Nervenzellen auf einem Chip gezielt positionieren. Das hilft nicht nur bei dem Verständnis und der Beeinflussung neuronaler Netze, sondern ist auch ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Brain-On-A-Chip-Systemen.

Neuronale Zellen auf einem Bio-Chip: Das angelegte Schallwellenfeld beeinflusst sowohl die Positionierung der Zellen als auch die Auswüchse der neuronalen Fortsätze, die diese Zellen verknüpfen. Bildquelle: © NIM/ C. Hohmann

Neuronale Zellen auf einem Bio-Chip: Das angelegte Schallwellenfeld beeinflusst sowohl die Positionierung der Zellen als auch die Auswüchse der neuronalen Fortsätze, die diese Zellen verknüpfen.

Der Nachwuchs-Forschungsgruppe um den Biophysiker Dr. Christoph Westerhausen am Lehrstuhl für Experimentalphysik I der Universität Augsburg ist es in Kooperation mit Kollegen von der University of California in Santa Barbara erstmals gelungen, mit Surface Acoustic Waves (SAWs) – das sind durch Hochfrequenzsignale induzierte Schallwellen, die sich an der Oberfläche eines Chips ausbreiten - lebende neuronale Zellen auf einem Bio-Chip gezielt in periodischen Abständen zu positionieren und darüber hinaus sogar das Wachstum der neuronalen Zellfortsätze zu beeinflussen. »Dies ist ein wichtiger Schritt Richtung sogenannter Brain-On-A-Chip Systeme und könnte elementar zum Verständnis der Prozesse im menschlichen Hirn beitragen«, sagt Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Achim Wixforth. Das Prinzip der von ihm entwickelten SAW-Technologie: Als Folge eines »Nanoerdbebens«, das durch die Anlegung eines passenden Hochfrequenzsignals an die auf dem Chip angebrachten Elektroden verursacht wird, breiten sich diese Schallwellen kontrollierbar an der Kristalloberfläche des Chips aus.

Kontrollierte Zellpositionierung

Im Magazin Physical Review E belegen Westerhausen und sein Augsburger Kollege Manuel Brugger jetzt, dass es ihnen gemeinsam mit ihren Partnern in Santa Barbara gelungen ist, auf der Grundlage dieser nanotechnologischen Methode einen neuartigen, weil dynamisch einstellbaren Ansatz zur kontrollierten und gezielten Zellpositionierung inklusive anschließender Anhaftung und Kultur der Zellen auf einem Mikrofluidik-Chip zu entwickeln. Durch akustisches Einfangen kleiner Polymerkügelchen und durch deren Positionierung in variablen Abständen demonstrieren die Nanophysiker die volle Breite der Adjustierungsmöglichkeiten, die dieser neue Ansatz bietet. Die Augsburger Forscher und Ihre Kollegen aus Santa Barbara können weiterhin die Langzeitbiokompatibilität von Behandlungen nachweisen, die auf dem Wachstum diverser auf dem Chip gezielt beeinflusster Zellarten – etwa Knochenkrebszellen, Nierenzellen oder Neuronen – basieren.

Ausrichtung der Zell-Zell-Verbindungen und Schallwellenfeld

»Das wohl wichtigste Resultat unserer Arbeit ist die erfolgreiche Stimulation sehr empfindlicher, primärer neuronaler Zellen und der Auswüchse, die diese Zellen verbinden«, so Westerhausen. Die Ausrichtung dieser Zell-Zell-Verbindungen stimme in überzeugender Weise mit dem jeweils angelegten Schallwellenfeld und der daraus resultierenden Potentiallandschaft überein und erlaube es, hier von der ersten Form eines mittels Schallwellen auf einem Chip generierten kleinsten neuronalen Netzwerks zu sprechen.

Die Möglichkeiten, mit statischen Ansätzen – zum Beispiel durch entsprechende Strukturierungen der Chipoberfläche – neuronale Netze herzustellen beziehungsweise zu beeinflussen, haben sich als begrenzt erwiesen. »Mit unserer dynamischen Methode«, erläutert Brugger, »können wir diese Limitierung überwinden, um so der biophysikalischen Grundlagenforschung – etwa zur Korrelation von Struktur, Signalausbreitung und Funktion neuronaler Netzwerke – längerfristig neue und weitreichende Perspektiven bieten«.

Medizinische Anwendungen

Medizintechnische Anwendungen – etwa durch gezielte Zellwachstumsbeeinflussungen bei Rückenmarksverletzungen – seien zwar noch Zukunftsmusik, aber durchaus denkbar. Westerhausen: »Was den Ausbau unserer neuen Methode und vor allem deren potentielle Anwendungen betrifft, sprudeln wir vor Ideen«. Mit dem Nachweis, dass mit dem Nanobeben- beziehungsweise der Surface Acoustic Waves-Technologie die gezielte und präzise Anordnung empfindlicher Neuronen machbar ist und dass mit ihr auch die Verknüpfungen der Neuronen gezielt beeinflusst werden können, habe man jedenfalls einen wichtigen Grundstein für die weitere aussichtsreiche Grundlagenforschung und neue Anwendungsperspektiven auf diesem Gebiet gelegt, erklären die Forscher selbstbewusst. (me)