A novel axon isolation device combining microfluidic and microelectronic concepts for in vitro recording of neural electrical activities

Abstract

Die Mikrosystemtechnologie ermöglicht die Herstellung von Strukturen, mit denen molekulare, zelluläre und biophysikalische Untersuchungen von Neuronen mit einer hohen räumlichen Auflösung durchgeführt werden können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer in vitro Plattform, um (i) Axone vom Soma zu isolieren, (ii) gezielt Axone und Somata getrennt voneinander einer physikalischen und chemischen Behandlung unterziehen zu können und (iii) eine Analyse der neuronalen Aktivität von einzelnen Neuronen, wie auch neuronalen Netzwerken zu ermöglichen. Das Axon Isolation Device (AID) wurde aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mittels Foto- und Soft-Lithographie hergestellt. Durch Optimierung der Plasmabehandlung der Strukturen konnte eine Poly-D-lysin und Lamininbeschichtung möglich gemacht werden. Dadurch konnte eine extrazelluläre Umgebung zur erfolgreichen Neuronenkultivierung geschaffen werden. Das Mikroelektrodenarray (MEA) wurde mit Elektroden unterschiedlicher Geometrie (rund, quadratisch) und Größe (Ø 80 µm, 25 µm x 25 µm) ausgestattet und formte mit dem Axon Isolation Device (AID) gemeinsam das Axon-Isolation-Mikroelektroden-System (AIMS). Das AIMS ermöglichte die Messung neuronaler Aktivitäten von einzelnen Axonen und Neuronen sowie die Untersuchung von neuronalen Netzwerken.<br />Neuronen des oberen Halsganglions von Mäusen sowie Neuronen des Hippocampus von Ratten konnten erfolgreich am AIMS kultiviert werden.<br />Das AIMS erlaubte es erstmals, 3 Tage nach der Neuronenaussaat gezielt neuronale Signale von Axonen zu detektieren und aufzunehmen. Diese Resultate versprechen ein enormes Anwendungspotenzial des AIMS, um beispielsweise neurodegenerative Erkrankungen und axonale Schädigungen zu untersuchen. Das AIMS kann auch wesentliche Beiträge leisten, um den Mechanismus der Synapsenbildung zu studieren.<br />

Microsystem technology is a key technology to produce structures for investigations of molecular, cellular and biophysical mechanisms of neurons on a cell compatible scale. This work focuses on the development of an in vitro platform that can be used to (i) isolate axons from the soma, (ii) locally confine physical and chemical treatments to axons or somata and (iii) analyze the neural activity of neurons as well as neural networks. An axon isolation device (AID) was fabricated from polydimethylsiloxane (PDMS) using photo and soft lithographic techniques. A plasma treatment was optimized for enabling a poly-D-lysine and laminin coating and, thus, allowed to create an extracellular environment for culturing of neural cells. Electric activity of neurons was recorded by microelectrodes. The fabricated microelectrode array (MEA) was equipped with electrodes of different geometries (circular, square) and sizes (Ø 80 µm, 25 µm x 25 µm). The position of the microelectrodes was tailored to the design of the axon isolation device. The precise alignment of these both components allowed the fabrication of an axon isolation microelectrode system (AIMS). This device was successfully used for a long-term and highly selective recording of axonal and neuronal signals as well as for investigations on neural network behaviour. Neurons of the superior cervical ganglion (SCG) of mice and hippocampal (HC) neurons from rats were successfully cultured on the device. 3 days post seeding, neural activity was recorded and analyzed simultaneously by the different electrodes. The results obtained with the AIMS developed in this work, suggest a great potential for numerous applications, like studying neurodegenerative diseases, axonal damages as well as synapse formation.<br />