Hintergrundrauschen reduziert

Im neuen Chip ermöglichen kleinere Verstärker, die Signale aller 20'000 Elektroden gleichzeitig zu verstärken und auszulesen. Allerdings haben die kleineren Verstärker ein höheres Hintergrundrauschen. Um auch die schwächsten Nervenimpulse einzufangen, haben die Forschenden in die neuen Chips deshalb auch einige der bisherigen grösseren und leistungsfähigeren Verstärker eingebaut, und sie bedienen sich eines Kniffs: Sie nutzen die leistungsfähigen Verstärker, um die Zeitpunkte herauszufinden, an denen es in der Zellkulturschale zu Nervenimpulsen kommt. An diesen Zeitpunkten können dann Signale auf den anderen Elektroden gesucht werden, und indem mehrere solcher aufeinanderfolgenden Signale gemittelt werden, kann das Hintergrundrauschen reduziert werden. Es entsteht so ein scharfes Bild der Signalaktivität über den gesamten Messbereich.

In einer ersten Studie, welche die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten, demonstrierten sie die Methode nicht nur an menschlichen iPS-​Zellen, sondern auch an Hirnschnitten, Augennetzhaut, Herzzellen sowie an sogenannten Neuronensphäroiden.

Mit dem neuen Chip können die Wissenschaftler neben den Zellen auch die Ausdehnung deren Axone sichtbar machen, sie vermessen und bestimmen, wie schnell ein Nervenimpuls in den weitverzweigten Axonen weitergeleitet wird. «Mit den bisherigen Generationen von Mikroelektrodenchips konnten wir maximal 50 Nervenzellen vermessen. Der neue Chip erlaubt es uns, auf Anhieb detaillierte Messungen an über 1000 Zellen in einer Kultur zu machen», sagt Hierlemann.

Solch umfassende Messungen eignen sich, die Wirkung von Medikamenten zu testen. Wissenschaftlerinnen können daher bestimmte Forschungsfragen in Kulturen menschlicher Zellen untersuchen statt in Versuchstieren. Somit hilft die Technologie auch, die Zahl von Tierversuchen zu reduzieren.

Das ETH-​ Spin-​off Maxwell Biosystems vermarktet schon die bisherigen Mikroelektroden-​ Technologie, welche mittlerweile weltweit in über hundert Forschungsgruppen an Universitäten und in der Industrie zum Einsatz kommt. Derzeit prüft die Firma, ob sie auch den neuen Chip kommerzialisieren wird.