Mikrofluidik Verhaltensbiologie: Fisch und Chips

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TU Braunschweig Institut für Mikrotechnik

Die Mikrofluidik und der Zebrafisch als Modellsystem in der Verhaltensneurobiologie – Das Gehirn von Zebrafischlarven besteht aus circa 100.000 Nervenzellen, und es weist eine hohe Vergleichbarkeit zum menschlichen Gehirn auf. Um diesen Nervenzellen bei der Arbeit zuschauen zu können, haben Forschende der TU Braunschweig ein Mikrofluidiksystem für die Aufnahme von Zebrafischlarven entwickelt und mit hochauflösender Mikroskopie kombiniert.

Verglichen mit dem Gehirn eines erwachsenen Menschen ist das Gehirn von Zebrafischlarven einfacher, enthält aber immer noch ca. 100.000 Nervenzellen. Zebrafischlarven sind ein bekanntes Modellsystem in der Verhaltensneurobiologie. Ihr Gehirn besteht aus neuronalen Strukturen mit einer Konnektivität, welche die gleiche Vernetzung unter Nutzung der gleichen Neurotransmitter wie beim Menschen aufweist und damit gleichen Funktionen dient.

Der Zebrafisch ist ein genetisch manipulierbares, sehr kleines und während seiner Larvenstadien optisch transparentes Wirbeltier mit ausgeprägtem Sozialverhalten. Die neurowissenschaftliche Forschung am Zebrafisch hat in den vergangenen Jahrzehnten nicht nur zum Verständnis grundlegender Mechanismen der Funktion des zentralen Nervensystems bei Wirbeltieren beigetragen, sondern war auch bei der genetischen Modellierung menschlicher neurologischer Erkrankungen erfolgreich. Die fünf Millimeter kleinen Larven sind so durchsichtig, dass ihr komplettes Gehirn mithilfe hochauflösender Mikroskopie beo­bachtet werden kann.

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Zebrafische und Mikrofluidiksysteme

Mikroskopische Aufnahmen verwackeln jedoch, sobald sich der lebende Zebrafisch bewegt. Verwendet man kommerziell erhältliche Systeme für die digitale Lichtblatt-Mikroskopie (DLS = Digital Light Sheet), benutzt man deswegen Agarose, in welche die Zebrafischlarven eingebettet werden, und taucht dann die von der Agarose festgehaltene Larve in eine mit Flüssigkeit gefüllte Petri­schale.

Ein solcher Ansatz führt jedoch zu einer kaum vorhersagbaren Orientierung der Larve in Bezug auf alle sechs räumlichen Freiheitsgrade, was zu einer zeitaufwändigen und mühsamen Justierung des Lichtblattmikroskops führt und auch die Bildauswertung, v.a. aber vergleichende Analysen erschwert. Außerdem ist die Agarose ein optischer Diffusor, der die Bildqualität stören kann. Hinzu kommt, dass die Petrischale ein großes Flüssigkeitsvolumen (~ 5 ml) fasst, sodass die gewünschten, sehr schnellen Änderungen chemischer Stimuli nicht ausreichend präzise durchgeführt werden können und zudem teure Chemikalien in großen Mengen verbraucht werden.

Um einige der Nachteile etablierter Techniken zur Zebrafisch-Fixierung zu überwinden, haben andere Forschergruppen mikrofluidische Vorrichtungen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt, in denen die Larven in einem speziell geformten Mikrokanal mit einer definierten Ausrichtung gefangen und wieder freigesetzt werden können. Diese Systeme sind jedoch nicht kompatibel mit lichtblattmikroskopischen Aufnahmen und präziser chemischer Stimulation, da PDMS den Nachteil einer relativ hohen Autofluoreszenz hat, die zu Rauschen in der Bildgebung führt, und darüber hinaus die Tendenz, chemische Komponenten zu absorbieren, was zu undefinierten Stimuluskonzen­trationen führt.

Herausforderungen beim Einfangen

Um die genannten Probleme zu beseitigen, musste ein Gerät aus einem hochtransparenten Material hergestellt werden, das gleichzeitig eine hohe Inertheit gegenüber verschiedenen chemischen Substanzen aufweist. Eine Materialgruppe, die diese Anforderungen erfüllt, ist optisches Glas, wie es in der Mikroskopie ohnehin vielfach verwendet wird. Durch die Auswahl verschiedener Glastypen ist es darüber hinaus möglich, den Brechungsindex und den Transmissionsbereich an eine bestimmte Aufgabenstellung anzupassen. Die Mikrofabrikation von Glas ist jedoch wesentlich anspruchsvoller als von PDMS, für das die bekannte Technik der „Softlithographie“ in vielen Laboren etabliert ist.

Darüber hinaus erforderte die Kombination von Strukturen zum Einfangen von Zebrafischlarven in verschiedenen Entwicklungsstadien mit einem optischen Lichtblatt-Zugang eine fortschrittlichere Fabrikationstechnologie mit der Möglichkeit einer nahezu freien dreidimensionalen Formgebung.

Wird so eine mikrofluidische Kammer mit Mikropumpen, Flüssigkeitskreisläufen und Mikroskopievorrichtungen verbunden und mit einer benutzerfreundlichen Regelungssoftware ausgestattet, erhält man ein eigenständiges Gerät für die Analyse der Gehirnaktivität von Zebrafischlarven bei zellulärer Auflösung – ein Gerät, das die Forschenden der TU Braunschweig Neuro­examiner genannt haben.

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