Теперь исследователи из группы Хирлеманна из Департамента биосистемы и инженерии ETH Zurich в Базеле вместе с Урсом Фреем и его коллегами из дочерней компании ETH MaxWell Biosystems разработали новое поколение микросхем на основе микроэлектродных матриц. Эти чипы позволяют детально регистрировать значительно большее количество электродов, чем предыдущие системы, что открывает новые возможности.
Требуется более сильный сигнал
Как и в случае с чипами предыдущих поколений, новые чипы содержат около 20000 микроэлектродов на площади 2 на 4 миллиметра. Чтобы эти электроды улавливали относительно слабые нервные импульсы, сигналы необходимо усиливать.
Примеры слабых сигналов, которые ученые хотят обнаружить, включают сигналы нервных клеток, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека (iPS-клетки). В настоящее время они используются во многих моделях болезней клеточных культур.
Еще одна причина для значительного усиления сигналов заключается в том, что исследователи хотят отслеживать нервные импульсы в аксонах (тонких, очень тонких волокнистых отростках нервной клетки).
Однако высокопроизводительная электроника усиления занимает много места, поэтому предыдущий чип мог одновременно усиливать и считывать сигналы только с 1000 из 20000 электродов. Хотя 1000 электродов можно было выбрать произвольно, их нужно было определять перед каждым измерением.
Это означало, что во время измерения можно было делать подробные записи только на части площади чипа.
Уменьшен фоновый шум
В новом чипе усилители меньше, что позволяет одновременно усиливать и измерять сигналы всех 20000 электродов. Однако усилители меньшего размера имеют более высокий уровень шума. Итак, чтобы убедиться, что они улавливают даже самые слабые нервные импульсы, исследователи включили в новые микросхемы некоторые из более крупных и мощных усилителей и использовали изящный трюк: они использовали эти мощные усилители для определения моментов времени, в которые возникают нервные импульсы. в чашке для культивирования клеток. В эти моменты времени они могут искать сигналы на других электродах, и, взяв среднее значение нескольких последовательных сигналов, они могут уменьшить фоновый шум.
Эта процедура дает четкое изображение активности сигнала по всей измеряемой области.
В первых экспериментах, которые исследователи опубликовали в журнале Nature Communications, они продемонстрировали свой метод на нейронных клетках человека, полученных с помощью ИПС, а также на срезах мозга, кусочках сетчатки, сердечных клетках и сфероидах нейронов.
Применение в разработке лекарств
С помощью нового чипа ученые могут создавать электрические изображения не только клеток, но и протяженности их аксонов, а также определять, насколько быстро нервный импульс передается в самые дальние части аксонов. «Предыдущие поколения микросхем микроэлектродных матриц позволяли измерять до 50 нервных клеток. «С новым чипом мы можем проводить подробные измерения более чем 1000 клеток в культуре одновременно», – говорит Хирлеманн.
Такие всесторонние измерения подходят для тестирования эффектов лекарств, а это означает, что теперь ученые могут проводить исследования и эксперименты с культурами клеток человека, а не полагаться на лабораторных животных. Таким образом, технология также помогает сократить количество экспериментов на животных.
MaxWell Biosystems, дочерняя компания ETH, уже занимается маркетингом существующей технологии микроэлектродов, которая сейчас используется во всем мире более чем сотней исследовательских групп в университетах и в промышленности.
В настоящее время компания рассматривает возможность коммерциализации нового чипа.