idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
idw-Abo
Medienpartner:
Wissenschaftsjahr


Teilen: 
05.08.2018 14:55

Akustische Oberflächenwellen geben in neuronalem Netz den Ton an

Klaus P. Prem Presse - Öffentlichkeitsarbeit - Information
Universität Augsburg

    Biophysiker aus Augsburg und Santa Barbara berichten in "Physical Review E" über das erstmalige Gelingen einer gezielten dynamischen Positionierung von Nervenzellen auf einem Chip. Die vielfach bereits bewährte Augsburger Surface Acoustic Waves-Technologie eröffnet damit jetzt auch neue Wege zum Verständnis und zur Beeinflussung neuronaler Netze.

    Der Nachwuchs-Forschungsgruppe um den Biophysiker Dr. Christoph Westerhausen am Lehrstuhl für Experimentalphysik I der Universität Augsburg ist es in Kooperation mit Kollegen von der University of California in Santa Barbara erstmals gelungen, mit Surface Acoustic Waves (SAWs) – das sind durch Hochfrequenzsignale induzierte Schallwellen, die sich an der Oberfläche eines Chips ausbreiten - lebende neuronale Zellen auf einem Bio-Chip gezielt in periodischen Abständen zu positionieren und darüber hinaus sogar das Wachstum der neuronalen Zellfortsätze zu beeinflussen. "Dies ist ein wichtiger Schritt Richtung sogenannter Brain-On-A-Chip Systeme und könnte elementar zum Verständnis der Prozesse im menschlichen Hirn beitragen", sagt Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Achim Wixforth.

    Wixforth und die Biophysik-Gruppe seines Lehrstuhlteams haben weltweit einen Ruf als führende Spezialisten für die Wechselwirkung zwischen Zellen und sogenannten akustischen Oberflächenwellen auf einem Chip. Das Prinzip der von Wixforth entwickelten SAW-Technologie: Als Folge eines "Nanoerdbebens", das durch die Anlegung eines passenden Hochfrequenzsignals an die auf dem Chip angebrachten Elektroden verursacht wird, breiten sich diese Schallwellen kontrollierbar an der Kristalloberfläche des Chips aus.

    Kontrollierte Zellpositionierung: dynamisch einstellbar

    Im angesehenen Magazin "Physical Review E" belegen Westerhausen und sein Augsburger Kollege Manuel Brugger jetzt, dass es ihnen gemeinsam mit ihren Partnern in Santa Barbara gelungen ist, auf der Grundlage dieser nanotechnologischen Methode einen neuartigen, weil dynamisch einstellbaren Ansatz zur kontrollierten und gezielten Zellpositionierung inklusive anschließender Anhaftung und Kultur der Zellen auf einem Mikrofluidik-Chip zu entwickeln. Durch akustisches Einfangen kleiner Polymerkügelchen und durch deren Positionierung in variablen Abständen demonstrieren die Nanophysiker die volle Breite der Adjustierungsmöglichkeiten, die dieser neue Ansatz bietet. Die Augsburger Forscher und Ihre Kollegen aus Santa Barbara können weiterhin die Langzeitbiokompatibilität von Behandlungen nachweisen, die auf dem Wachstum diverser auf dem Chip gezielt beeinflusster Zellarten – etwa Knochenkrebszellen, Nierenzellen oder Neuronen – basieren.

    Ausrichtung der Zell-Zell-Verbindungen und Schallwellenfeld: überzeugende Korrelation

    "Das i-Tüpfelchen und wohl wichtigste Resultat unserer Arbeit ist die erfolgreiche Stimulation sehr empfindlicher, primärer neuronaler Zellen und der Auswüchse, die diese Zellen verbinden. Die Ausrichtung dieser Zell-Zell-Verbindungen stimmt in überzeugender Weise mit dem jeweils angelegten Schallwellenfeld und der daraus resultierenden Potentiallandschaft überein und erlaubt es, hier von der ersten Form eines mittels Schallwellen auf einem Chip generierten kleinsten neuronalen Netzwerks zu sprechen", so Westerhausen.

    Erforschung neuronaler Netzwerke: neue erfolgversprechende Perspektiven

    Die Möglichkeiten, mit statischen Ansätzen – z. B. durch entsprechende Strukturierungen der Chipoberfläche – neuronale Netze herzustellen bzw. zu beeinflussen, haben sich als begrenzt erwiesen. "Mit unserer dynamischen Methode", erläutert Brugger, "können wir diese Limitierung überwinden, um so der biophysikalischen Grundlagenforschung – etwa zur Korrelation von Struktur, Signalausbreitung und Funktion neuronaler Netzwerke – längerfristig neue und weitreichende Perspektiven bieten."

    Medizinische Anwendungen: durchaus denkbar

    Medizintechnische Anwendungen – etwa durch gezielte Zellwachstumsbeeinflussungen bei Rückenmarksverletzungen – seien zwar noch Zukunftsmusik, aber durchaus denkbar. Westerhausen: "Was den Ausbau unserer neuen Methode und vor allem deren potentielle Anwendungen betrifft, sprudeln wir vor Ideen. Mit dem Nachweis, dass mit unserer 'Nanobeben'- bzw. Surface Acoustic Waves-Technologie die gezielte und präzise Anordnung empfindlicher Neuronen machbar ist und dass mit ihr auch die Verknüpfungen der Neuronen gezielt beeinflusst werden können, haben wir jedenfalls einen wichtigen Grundstein für die weitere aussichtsreiche Grundlagenforschung und neue Anwendungsperspektiven auf diesem Gebiet gelegt."
    _____________________________

    Die Erarbeitung dieser Forschungsergebnisse wurde u. a. von der "Nanosystems Initiative Munich/NIM" (Exzellenzinitiative des Bundes – http://www.nano-initiative-munich.de) sowie durch das Bayerisch-Kalifornische Hochschulzentrum im Rahmen der Förderinitiative BaCaTec (http://www.bacatec.de) unterstützt.
    _____________________________


    Wissenschaftliche Ansprechpartner:

    Dr. Christoph Westerhausen
    Lehrstuhl für Experimentalphysik I
    Universität Augsburg
    Universitätsstraße 1
    86159 Augsburg
    christoph.westerhausen@physik.uni-augsburg.de
    http://www.physik.uni-augsburg.de/exp1/mitarbeiter/02_seniors/westerhausen_chris...


    Originalpublikation:

    Orchestrating cells on a chip: Employing surface acoustic waves towards the formation of neural networks. Manuel S. Brugger, Sarah Grundeen, Adele Doyle, Luke Theogarajan, Achim Wixforth, and Christoph Westerhausen. Phys. Rev. E 98, 012411 – Published 18 July 2018. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.98.012411


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
    Biologie, Chemie, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
    überregional
    Forschungsergebnisse
    Deutsch


    Neuronale Zellen auf einem Bio-Chip: Das angelegte Schallwellenfeld beeinflusst sowohl die Positionierung der Zellen als auch die Auswüchse der neuronalen Fortsätze, die diese Zellen verknüpfen.


    Zum Download

    x

    Hilfe

    Die Suche / Erweiterte Suche im idw-Archiv
    Verknüpfungen

    Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.

    Klammern

    Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).

    Wortgruppen

    Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.

    Auswahlkriterien

    Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).

    Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).

    Cookies optimieren die Bereitstellung unserer Dienste. Durch das Weitersurfen auf idw-online.de erklären Sie sich mit der Verwendung von Cookies einverstanden. Datenschutzerklärung
    Okay