Extracellular stimulation of individual electrogenic cells with micro-scaled electrodes

Eick, Stefan; Offenhäusser, Andreas

doi:29992

Extracellular stimulation of individual electrogenic cells with micro-scaled electrodes = Extrazelluläre Stimulation einzelner elektrisch aktiver Zellen mit Mikroelektroden

Eick, Stefan (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Eick

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXI, 200 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-01-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31710
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51735/files/3171.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikro-Scale (Genormte SW) ; Elektrode (Genormte SW) ; Iridium (Genormte SW) ; Iridiumoxide (Genormte SW) ; Nervenzelle (Genormte SW) ; Nervennetz (Genormte SW) ; Elektrostimulation (Genormte SW) ; Stimulation (Genormte SW) ; Bioelektronik (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MEA (frei) ; Neuroelektronik (frei) ; Iridiumoxid (frei) ; SIROF (frei) ; extrazelluläre Stimulation (frei) ; neuroelectronics (frei) ; iridium oxide (frei) ; extracellular stimulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 87.85.eg * 87.19.ll * 87.85.dh * 82.45.Fk * 87.19.lt

Kurzfassung
Die Schnittstelle zwischen biologischer und elektronischer Informationsverarbeitung in bioelektronischen Hybridsystemen ist ein faszinierendes Forschungsfeld. Neben medizinischen Anwendungen, wie der Entwicklung und Verbesserung von Neuroprothesen, ermöglicht es grundlegende Untersuchungen an dissoziierten neuronalen Kulturen oder Gehirnschnitten. Ziel dieser Untersuchungen ist es die Entwicklung, Plastizität und Informationsverarbeitung von neuronalen Netzwerken aufzuklären. Hierfür werden stabile Systeme und Bauelemente für Langzeituntersuchungen mit zahlreichen Einzelzell-Schnittstellen für extrazelluläre Stimulation und Ableitung benötigt, um präzisen Zugriff auf das Netzwerk von Zellen oder Gewebe zu erhalten. Im Fokus dieser Doktorarbeit stand dabei die Untersuchung der extrazellulären Stimulation von einzelnen elektrisch aktiven Zellen in vitro mit oberflächengebundenen Mikroelektroden. Zu diesem Zweck wurde ein neues elektrophysiologisches Messsystem, inklusive Bauelementen und einem vielseitigen und anpassbaren Verstärker, entwickelt. Dieser Verstärker besteht aus einem allgemeinen Hauptverstärker für impedimetrische und elektrophysiologische Experimente und mehreren Vorverstärkern. Jeder Vorverstärker ist auf jeweils einen speziellen Chiptyp abgestimmt, wie z.B. Multielektrodenchips (Englisch: multi-electrode array, MEA) oder integrierte Chips mit Mikroelektroden für Stimulation und Feldeffekttransistoren für Ableitungen. Der neu entwickelte Verstärker wurde getestet und in einen Patch-Clamp Aufbau für intrazelluläre Ableitungen integriert. In einem iterativen Prozess wurden Mikroelektroden mit einer Iridiumoxidbeschichtung (Englisch: sputtered iridium oxide film, SIROF) zur Verbesserung der Stimulationseigenschaften entwickelt. Im Vergleich zu konventionellen Gold- und Platinelektroden hatten die rauen und porösen SIROF-Elektroden eine geringere Impedanz, eine höhere Ladungsspeicherkapazität und damit insgesamt verbesserte elektrochemische Eigenschaften. Durch wiederholte Zellkulturen, elektrophysiologische Experimente und Reinigung konnten die Biokompatibilität und die Stabilität der Chips nachgewiesen werden. Das neue Setup und die neuen Elektroden wurden für Experimente mit Neuronen aus dem Kortex der Ratte und anderen elektrisch aktiven Zelllinien angewendet. Einzelne Human Embyronic Kidney 293 Zellen mit dem NaV1.4 Natriumkanal konnten auf kontrollierte Art und Weise bis zur Auslösung von Pseudo-Aktionspotentialen (APs) stimuliert werden. Um Stimulationsmechanismen und den Einfluss von experimentellen Parametern auf den Stimulationserfolg zu untersuchen, wurden die Messdaten analysiert und mit numerischen Simulationen verglichen. Erstmals wurden Iridiumoxidelektroden erfolgreich für die extrazelluläre Stimulation von einzelnen Neuronen aus einer dissoziierten Kultur angewendet. Zwei grundlegende Stimulationsmechanismen konnten identifiziert werden, welche beide zu einer selbstverstärkenden Depolarisation des Membranpotentials und der Auslösung eines APs führen konnten. Zusätzlich wurde erfolgreich elektrische Aktivität von der HL-1 Herzmuskelzelllinie abgeleitet. Die entwickelten MEAs und SIROF Schichten zeigten hervorragende elektrochemische Eigenschaften, waren stabil und biokompatibel und wurden erfolgreich für die extrazelluläre Stimulation und Ableitung angewendet. Folglich bilden sie ein ideales System für die bidirektionale Kommunikation mit elektrisch aktiven Zellen in vitro.

The interface between biological and electronic information processing within bioelectronic hybrid systems is an exciting field of research. From an application point of view, it offers the possibility to develop and improve neuroprosthetic devices, e.g. for medical use. In basic neuroscience it enables the investigation of dissociated neuronal cultures or brain slices to elucidate the development, plasticity, and information processing of neuronal networks. To this end, systems and devices for stable long-term investigations with multiple interfaces for extracellular recording and stimulation on a single-cell level are desirable to gain precise access to the network or tissue. The main focus of this work was to study the extracellular stimulation of individual electrogenic cells in vitro with surface-embedded microelectrodes. For this purpose, a new electrophysiological system, including devices and a versatile and customizable amplifier, was developed. The novel amplifier is comprised of a general main amplifier for impedimetric and electrophysiological experiments and multiple headstages specialized for individual chip types including multi-electrode arrays (MEAs) and integrated chips combining stimulation electrodes and recording field-effect transistors. The amplifier was tested and integrated in a patch-clamp setup for intracellular recordings. Microelectrodes with sputtered iridium oxide films (SIROFs) for improved stimulation capabilities were developed in an iterative process. With low impedance and high charge storage capacity, the rough and porous SIROF electrodes showed electrochemical properties superior to conventional gold or platinum electrodes. The biocompatibility and stability of the devices was shown by repeated use for cell growth, electrophysiological experiments, and cleaning of the chips. The new setup and devices were used for experiments with rat cortical neurons and electroactive cell lines. Single Human Embryonic Kidney 293 cells with the NaV1.4 sodium channel could be stimulated to the point of pseudo-action potential (AP) excitation in a controlled manner. The data was analyzed and compared to numerical simulations to investigate stimulation mechanisms and the influence of experimental parameters on stimulation success. For the first time, iridium oxide microelectrodes were successfully employed for extracellular stimulation of individual neurons from a dissociated culture. Two basic stimulation mechanisms were identified, which could both lead to a self-amplifying depolarization of the membrane potential and the excitation of APs. In addition, successful recordings of electrical activity from the HL-1 cardiac myocyte-like cell line were performed. The developed MEAs and SIROF layers showed excellent electrochemical properties, stability, and biocompatibility, and were successfully applied for extracellular stimulation and recording. Hence, they represent an ideal system for the bidirectional communication with electrogenic cells in vitro.

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