Wie kann man die elektrischen Signale einer Zelle messen? Schon seit längerem beschäftigen sich Forscherinnen und Forscher am Standort Zweibrücken der Hochschule Kaiserslautern mit dieser Fragestellung. Sie wollen dadurch bessere Möglichkeiten zur Erforschung bspw. der Wirkung von Medikamenten oder auch von Giftstoffen auf den Organismus schaffen. Einer von ihnen ist Dr. Dominique Decker, der gerade im Rahmen der kooperativen Promotion in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Elektrochemie an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken seinen Doktortitel bekommen hat.
Das Projekt im Forschungsschwerpunkt Integrierte miniaturisierte Systeme hatte die Entwicklung von dreidimensionalen Nanostrukturen auf Mikroelektroden für biomedizinische Anwendungen im Blick. Diese als MEAs bezeichneten Elektroden sind in der Lage, elektrische Informationen direkt an einer lebenden Zelle zu gewinnen. Es wurde untersucht, wie eine Struktur aussehen und arrangiert werden muss, um der Zelle ein verbessertes Aufwachsen im Vergleich zu unstrukturierten Elektroden zu ermöglichen und dadurch die Signalqualität zu steigern. Für die Herstellung der Elektroden bediente sich Dr. Decker der thermischen Nanoimprintlithografie, bei der mit Hilfe eines Stempels Vorstrukturen in ein Ausgangsmaterial erzeugt werden. Im Anschluss werden diese mittels Goldgalvanik aufgefüllt. Die Strukturen liegen dabei natürlich im Nanometermaßstab. „Wir haben mit verschiedenen Nanostrukturen experimentiert“, erklärt Dr. Dominique Decker, „und mit Hilfe der Impedanzspektroskopie, einem elektrochemischen Analyseverfahren, herausgefunden, dass überwachsene Röhren, so genannte Muffins, am besten von den Zellen angenommen werden. Zellen mögen anscheinend Muffins genauso gerne wie wir.“ Es ist nämlich beileibe nicht so, dass Zellen auf jedem Untergrund gleich gut anhaften. „Viele Layouts regen ein Abstoßungsverhalten an“, sagt Dr. Decker, „man muss genau darauf achten, welches Layout man wählt. Zum Beispiel dürfen die Strukturen nicht zu nah angeordnet sein, sonst liegen die Zellen nur locker auf, statt sich mit den Elektroden zu verbinden.“ Auf die fertig hergestellten MEAs brachten die Forscher Neurosphären von Mäusen auf. Diese Zellen aus einem bestimmten Bereich des Gehirns stehen im Verdacht, bei der Entstehung von Tumoren beteiligt zu sein. Auf die Zellen wurden im Anschluss Arzneimittel oder toxische Substanzen gegeben. Elektrische Signale der Zellen zeigten die Reaktion auf diese Behandlung. „Durch den Einsatz bestimmter Nanostrukturen konnten wir im Vergleich zu unstrukturierten Elektroden die detektierten Signalamplituden um mehr als das Dreifache steigern“, so Dr. Decker.
Nach dem Abschluss seiner Doktorarbeit wurde er nun für das Nachfolgeprojekt MEAplusNano eingestellt. In einem von der Hochschule patentierten „Upside-down-Verfahren“ werden die Zellen nicht direkt auf das MEA kultiviert. Sie wachsen vielmehr auf einem perforierten Glasplättchen im Brutschrank heran. Die Zellen werden nur für die Dauer des Experiments auf die Elektroden gegeben. „Das Zellmedium, die Nährflüssigkeit für die Zellen, greift auf Dauer die Elektroden an. Wenn wir die Zellen nur kurz mit den Elektroden in Kontakt bringen, ist das besser für ihre Haltbarkeit. Beim Aufbringen können wir die Zellen zudem leicht an die Elektroden andrücken und so bessere Messergebnisse erzielen“, berichtet der Forscher. Schließlich ist auch die verringerte Nutzungszeit der MEAs, die mit dieser Methode erreicht werden kann, ein Faktor, der später einmal Kosten sparen kann. Das Projekt MEAplusNano wird mit mehr als 900 000 Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
Bu: Dr. Dominique Decker nach seiner Verteidigung mit den Prüfenden (Dr. Dan Durneata, Prof. Helmut Seidel, Prof. Monika Saumer, Dr. Dominique Decker, Prof. Rolf Hampelmann und Prof. Andreas Schütze (v.l.n.r)) Foto: privat
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Kaiserslautern: 16.12.2019
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