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Uma nova geração de microelétrodo-disposição lasca-se para impulsos de gravação da pilha de nervo

Os pesquisadores de ETH desenvolveram uma nova geração de microplaquetas da microelétrodo-disposição para impulsos de nervo de medição, permitindo estudos de como os milhares de pilhas de nervo interagem um com o otro.

Por mais de 15 anos, o professor Andreas Hierlemann de ETH e seu grupo têm desenvolvido as microplaquetas da microelétrodo-disposição que podem ser usadas para excitar precisamente pilhas de nervo nas culturas celulares e para medir a actividade elétrica da pilha. Estas revelações tornam possível crescer pilhas de nervo em pratos de cultura celular e usar as microplaquetas encontradas na parte inferior do prato para examinar em detalhe cada pilha individual em um tecido de nervo conectado.

Os métodos alternativos para conduzir tais medidas têm algumas limitações claras. São qualquer um muito demorado - porque o contacto a cada pilha tem que individualmente ser estabelecido - ou exigem o uso das tinturas fluorescentes, que influenciam o comportamento das pilhas e daqui do resultado das experiências.

Agora, os pesquisadores do grupo de Hierlemann no departamento da ciência das biosistemas e a engenharia de ETH Zurique em Basileia, junto com Urs Frey e seus colegas das biosistemas de Maxwell do derivado de ETH, desenvolveram uma nova geração de microplaquetas da microelétrodo-disposição. Estas microplaquetas permitem gravações detalhadas consideravelmente de mais eléctrodos do que os sistemas precedentes, que abrem novas aplicações.

Sinal mais forte exigido

Como com gerações precedentes da microplaqueta, as microplaquetas novas têm ao redor 20.000 microelétrodos em uma área que mede 2 por 4 milímetros. Para assegurar-se de que estes eléctrodos pegarem os impulsos de nervo relativamente fracos, os sinais precisam de ser amplificados. Exemplos dos sinais fracos que os cientistas querem detectar para incluir aqueles de pilhas de nervo, derivados das células estaminais pluripotent humanas (pilhas do iPS). Estes são usados actualmente em muitos modelos da doença da cultura celular. Uma outra razão amplificar significativamente os sinais é se os pesquisadores querem seguir impulsos de nervo nos axónio (finos, em extensões fibrosas muito finas de uma pilha de nervo).

Contudo, a eletrônica de capacidade elevada da amplificação pega o espaço, que é porque a microplaqueta precedente podia amplificar e ler simultaneamente para fora sinais de somente 1.000 dos 20.000 eléctrodos. Embora os 1.000 eléctrodos poderiam arbitrariamente ser seleccionados, tiveram que ser determinados antes de cada medida. Isto significou que era possível fazer gravações detalhadas sobre somente uma fracção da área da microplaqueta durante uma medida.

Ruído de fundo reduzido

Na microplaqueta nova, os amplificadores são menores, permitindo os sinais de todos os 20.000 eléctrodos ser amplificado e medido ao mesmo tempo. Contudo, os amplificadores menores têm uns níveis de ruído mais altos. Assim, para certificar-se dos capturam mesmo os impulsos de nervo os mais fracos, os pesquisadores incluíram alguns dos amplificadores maiores e mais poderosos nas microplaquetas novas e empregam um truque astucioso: usam estes amplificadores poderosos para identificar os pontos do tempo, em que os impulsos de nervo ocorrem no prato de cultura celular.

Nestes pontos do tempo, então podem procurarar por sinais nos outros eléctrodos, e tomando a média de diversos sinais sucessivos, podem reduzir o ruído de fundo. Este procedimento rende uma imagem clara da actividade do sinal sobre a área inteira que está sendo medida.

Nas primeiras experiências, que os pesquisadores publicaram nas comunicações da natureza do jornal, demonstraram seu método em pilhas neuronal iPS-derivadas ser humano assim como em secções do cérebro, em partes da retina, em pilhas cardíacas e em esferóides neuronal.

Aplicação na revelação da droga

Com a microplaqueta nova, os cientistas podem produzir imagens elétricas não somente das pilhas mas igualmente a extensão de seus axónio, e podem determinar como um impulso de nervo é transmitido rapidamente aos alcances os mais distantes dos axónio.

As gerações precedentes de microplaquetas da disposição do microelétrodo deixaram-nos medida até 50 pilhas de nervo. Com a microplaqueta nova, nós podemos executar medidas detalhadas de mais de 1.000 pilhas em uma cultura de uma vez.”

Andreas Hierlemann, professor de ETH

Tais medidas detalhadas são apropriadas para testar os efeitos das drogas, significando que os cientistas podem agora conduzir a pesquisa e as experiências com culturas celulares humanas em vez da confiança em animais de laboratório. A tecnologia assim igualmente ajuda a reduzir o número das experiências animais.

As biosistemas de Maxwell do derivado de ETH já estão introduzindo no mercado a tecnologia existente do microelétrodo, que é agora dentro uso em todo o mundo perto sobre cem grupos de investigação em universidades e na indústria. Presentemente, a empresa está olhando em uma comercialização potencial da microplaqueta nova.

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.