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Una nuova generazione di microelettrodo-schiera scheggia per gli impulsi di registrazione delle cellule nervose

I ricercatori di ETH hanno sviluppato una nuova generazione di chip di microelettrodo-schiera per gli impulsi nervosi di misurazione, permettendo agli studi di come migliaia di cellule nervose interagiscono a vicenda.

Per oltre 15 anni, il professor Andreas Hierlemann di ETH ed il suo gruppo stanno sviluppando i chip di microelettrodo-schiera che possono essere usati per eccitare precisamente le cellule nervose nelle colture cellulari e per misurare l'attività elettrica delle cellule. Questi sviluppi permettono di coltivare le cellule nervose nelle capsule di Petri e di usare i chip situati al fondo del piatto per esaminare dettagliatamente ogni cella determinata in un tessuto nervoso connesso.

I metodi alternativi per effettuare tali misure presentano alcune chiare limitazioni. Sono l'uno o l'altro molto che richiede tempo - perché il contatto ad ogni cella deve essere stabilito determinato - o richiedono l'uso delle tinture fluorescenti, che influenzano il comportamento delle celle e quindi del risultato degli esperimenti.

Ora, i ricercatori dal gruppo di Hierlemann al dipartimento di scienza di biosistemi e l'assistenza tecnica di ETH Zurigo a Basilea, insieme a Urs Frey ed i suoi colleghi dai biosistemi secondari di ETH Maxwell, hanno sviluppato una nuova generazione di chip di microelettrodo-schiera. Questi chip permettono considerevolmente alle registrazioni dettagliate di più elettrodi che i sistemi precedenti, che aprono le nuove applicazioni.

Più forte segnale richiesto

Come con le generazioni precedenti del chip, i nuovi chip hanno intorno 20.000 microelettrodi in un'area che misura 2 da 4 millimetri. Per assicurarsi che questi elettrodi prendano gli impulsi nervosi relativamente deboli, i segnali devono essere ampliati. Esempi dei segnali deboli che gli scienziati vogliono individuare per includere quelli delle cellule nervose, derivati dalle cellule staminali pluripotent umane (celle di IPS). Questi corrente sono utilizzati in molti modelli di malattia della coltura cellulare. Un'altra ragione di ampliare significativamente i segnali è se i ricercatori vogliono tenere la carreggiata gli impulsi nervosi negli assoni (fini, nelle estensioni fibrose molto sottili delle cellule nervose).

Tuttavia, l'elettronica ad alto rendimento di amplificazione prende lo spazio, che è perché il chip precedente poteva ampliare e leggere simultaneamente fuori i segnali da soltanto 1.000 dei 20.000 elettrodi. Sebbene i 1.000 elettrodi potrebbero essere selezionati arbitrariamente, hanno dovuto essere risoluti prima di ogni misura. Ciò ha significato che era possibile fare le registrazioni dettagliate sopra soltanto una frazione dell'area del chip durante la misura.

Rumore di fondo diminuito

Nel nuovo chip, gli amplificatori sono più piccoli, permettendo i segnali di tutti e 20.000 gli elettrodi di essere ampliato e misurato allo stesso tempo. Tuttavia, i più piccoli amplificatori hanno più alti livelli acustici. Così, assicurarsi catturano anche gli impulsi nervosi più deboli, i ricercatori hanno incluso alcuni di più grandi ed amplificatori più potenti nei nuovi chip ed impiegano un trucco abile: utilizzano questi amplificatori potenti per identificare i punti di tempo, a cui gli impulsi nervosi si presentano nel piatto della coltura cellulare.

A questi punti di tempo, poi possono cercare i segnali sugli altri elettrodi e catturando la media di parecchi segnali successivi, possono diminuire il rumore di fondo. Questa procedura rende una chiara immagine dell'attività del segnale sopra l'intera area che è misurata.

Nei primi esperimenti, che i ricercatori hanno pubblicato nelle comunicazioni della natura del giornale, hanno dimostrato il loro metodo sulle celle di un neurone IPS-derivate essere umano come pure sulle sezioni del cervello, sui pezzi della retina, sulle celle cardiache e sulle sferoidi di un neurone.

Applicazione nello sviluppo della droga

Con il nuovo chip, gli scienziati possono produrre le immagini elettriche non solo delle celle ma anche l'estensione dei loro assoni e possono determinare quanto velocemente un impulso nervoso è trasmesso agli sbracci più lontani degli assoni.

Le generazioni precedenti di chip di schiera del microelettrodo hanno lasciato misura USA fino a 50 cellule nervose. Con il nuovo chip, possiamo realizzare tutto d'un tratto le misure dettagliate di più di 1.000 celle in una cultura.„

Andreas Hierlemann, professore di ETH

Tali misure complete sono adatte a verificare gli effetti delle droghe, significanti che gli scienziati possono ora eseguire la ricerca e gli esperimenti con le culture di cellula umana invece di contare sugli animali da laboratorio. La tecnologia egualmente contribuisce così a diminuire il numero degli esperimenti sugli animali.

I biosistemi secondari di ETH Maxwell già sta commercializzando la tecnologia attuale del microelettrodo, che ora è in uso intorno al mondo vicino sopra cento gruppi di ricerca alle università e nell'industria. Attualmente, la società sta esaminando una commercializzazione potenziale di nuovo chip.

Source:
Journal reference:

Yuan, X., et al. (2020) Versatile live-cell activity analysis platform for characterization of neuronal dynamics at single-cell and network level. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-020-18620-4.