Registrazione degli impulsi di migliaia di cellule nervose ad alta risoluzione

Da oltre quindici anni, il gruppo del professor Andreas Hierlemann dell'ETH sviluppa chip di microelettrodi che possono essere utilizzati per stimolare con precisione le cellule nervose in coltura cellulare e misurarne l'attività. Questi sviluppi consentono di coltivare cellule nervose in piatti di coltura cellulare e di analizzare con precisione ogni singola cellula di un tessuto neuronale coerente con il chip situato sul fondo del piatto di coltura. Al contrario, i metodi di misurazione alternativi presentano limitazioni significative: Richiedono molto tempo perché è necessario stabilire un contatto con ogni singola cellula, oppure devono essere utilizzati coloranti fluorescenti, che influenzano il comportamento delle cellule e quindi gli esperimenti.

I ricercatori del gruppo di Hierlemann presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea, insieme a Urs Frey dell'apertura Maxwell Biosystems dell'ETH e ai suoi collaboratori, hanno ora sviluppato una nuova generazione di chip di microelettrodi che consentono registrazioni sensibili da un numero significativamente maggiore di elettrodi rispetto al passato, nonché nuove applicazioni.

Rinforzo necessario

Come le precedenti generazioni di chip, i nuovi chip contengono circa 20.000 microelettrodi su una superficie di 2 x 4 millimetri. Per riconoscere anche gli impulsi nervosi relativamente deboli, il segnale proveniente da questi elettrodi deve essere amplificato. Gli scienziati hanno a che fare con segnali deboli, ad esempio, nelle cellule nervose ottenute da alcune cellule staminali, note come cellule iPS. Queste ultime sono ora utilizzate in molti modelli di malattie in coltura cellulare. I segnali devono anche essere notevolmente amplificati se i ricercatori vogliono tracciare gli impulsi nervosi in un assone (una sottile estensione simile a una fibra delle cellule nervose).

L'elettronica di amplificazione ha bisogno di spazio. Per questo motivo, il chip precedente poteva amplificare e leggere solo i segnali di 1000 dei 20.000 elettrodi contemporaneamente. Anche se gli elettrodi corrispondenti potevano essere selezionati liberamente, dovevano essere definiti prima di una misurazione. Le misure sensibili erano quindi possibili solo per un'area parziale del chip.

Riduzione del rumore di fondo

Nel nuovo chip, amplificatori più piccoli consentono di amplificare e leggere i segnali di tutti i 20.000 elettrodi contemporaneamente. Tuttavia, gli amplificatori più piccoli hanno un rumore di fondo più elevato. Per catturare anche gli impulsi nervosi più deboli, i ricercatori hanno quindi incorporato nel nuovo chip anche alcuni dei precedenti amplificatori più grandi e più potenti e stanno usando un trucco: usano i potenti amplificatori per scoprire i tempi in cui si verificano gli impulsi nervosi nel piatto di coltura cellulare. I segnali possono quindi essere ricercati sugli altri elettrodi in questi momenti e, calcolando la media di diversi segnali consecutivi, è possibile ridurre il rumore di fondo. Il risultato è un'immagine chiara dell'attività di segnalazione sull'intero intervallo di misurazione.

In un primo studio pubblicato dai ricercatori sulla rivista pagina esternaComunicazioni di Nature In uno studio pubblicato dal Politecnico di Zurigo, hanno dimostrato il metodo non solo su cellule iPS umane, ma anche su fette di cervello, retine di occhi, cellule cardiache e sferoidi neuronali.

Utilizzo nello sviluppo di farmaci

Con il nuovo chip, gli scienziati possono non solo visualizzare le cellule ma anche l'estensione dei loro assoni, misurarli e determinare la velocità di trasmissione di un impulso nervoso negli assoni ampiamente ramificati. "Con le precedenti generazioni di chip di microelettrodi, eravamo in grado di misurare un massimo di 50 cellule nervose. Il nuovo chip ci permette di effettuare subito misurazioni dettagliate su chi siamo, oltre 1000 cellule in una coltura", dice Hierlemann.

Queste misurazioni complete sono adatte per testare l'effetto dei farmaci. Gli scienziati possono quindi studiare determinate questioni di ricerca in colture di cellule umane invece che in animali da laboratorio. In questo modo, la tecnologia contribuisce anche a ridurre il numero di esperimenti sugli animali.

L'azienda Maxwell Biosistemi, in apertura dell'ETH, sta già commercializzando la tecnologia dei microelettrodi esistente, che ora viene utilizzata da oltre cento gruppi di ricerca nelle università e nell'industria di tutto il mondo. L'azienda sta attualmente valutando se commercializzare anche il nuovo chip.