Cells-on-a-chip-System Zell-Kommunikation auf elektronischen Chips

Lebende Zellen auf einem Mikrochip zu züchten und sie miteinander kommunizieren zu lassen – das ist eine Herausforderung, der sich Forscher in Belgien und Israel seit dem Jahr 2000 widmen. Ihre Cells-on-chip-Systeme sollen die Untersuchung von Herz- und Gehirnerkrankungen und die Entwicklung einer entsprechenden Therapeutik ermöglichen. Ein technologischer Durchbruch beim Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) bringt diesen Traum der Realität einen weiteren Schritt näher.

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imec Interuniversity Micro Electronics Centre

Man stelle sich ein Netz von Zellen vor, die elektrische Signale aussenden, um miteinander zu kommunizieren. Und direkt darunter einen elektronischen Chip, mit dem man das Signalverhalten einzelner Zellen verfolgen und messen kann. Genau das entwickeln derzeit Wissenschaftler am belgischen Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) in Zusammenarbeit mit Forschern des Flanders Institute of Biotechnology, der Katholieke Universiteit Leuven und der Hebrew University of Jerusalem: einen Chip mit Tausenden einzelner Elektroden, die die elektrische Aktivitäten individueller Zellen eines Zellverbandes in Echtzeit messen und triggern können. Solche Cells-on-chip Systeme wären preisgünstige und einfach einsetzbare Werkzeuge für elektrophysiologische In-vitro-Untersuchungen an lebenden Organismen – mit dem wesentlichen Vorteil, dass man ausgewählte Zellen individuell beobachten und stimulieren könnte.

Herz- und Gehirnzellen bedienen sich elektrischer Signale zur gegenseitigen Kommunikation. Untersuchungen der elektrischen Aktivitäten dieser Zellen können wichtige Einsichten in deren Kommunikationsprozesse liefern, etwa bei Herz- und Gehirnerkrankungen, sowie bei der Einwirkung von Drogen auf die betroffenen Zellen. So zeigen etwa Zellen des Herzgewebes ein spezifisches QT-Intervall, also den Zeitabstand zwischen zwei Punkten im elektrischen Sinusoidalzyklus des Herzens. Gewisse Antibiotika sind dafür bekannt, dass sie die Länge dieses Intervalls beeinflussen und Herzrhythmusstörungen (cardiac arrhythmia) hervorrufen. Mit elektrophysiologischen In-vitro-Untersuchungen an Herzzellen lassen sich beispielsweise derartige Nebenwirkungen von Antibiotika genauer analysieren.

Heute verfügbare Werkzeuge

Ein Meilenstein der elektrophysiologischen Forschung war die Erfindung der Patch-Clamp Technik. Sie wurde 1991 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet und ist noch heute die am weitesten verbreitete elektrophysiologische Technik. Ihr Prinzip besteht im Einsetzen einer Elektrode in eine Zelle zur Messung des elektrischen Stromflusses durch die Ionenkanäle der Zellmembran. Ebenso lassen sich definierte elektrische Signale an die Zellen anlegen. Neben dem apparativen und zeitlichen Aufwand verringert sich aufgrund des invasiven Charakters der Technik die Lebensspanne der Zellen.

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