Thermoresponsive Polymerbeschichtungen zur Kontrolle der synaptischen Übertragungsrichtung in künstlichen neuronalen Netzwerken in vitro

• Antragsteller: Dr. Werner Baumann; Privatdozent Dr. Claus Duschl
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290023374

Die Analyse künstlicher neuronaler Netzwerke ist ein vielversprechender Ansatz zur Adressierung zahlreicher neurobiologischer Fragestellungen. Trotz intensiver Bemühungen weltweit ist es jedoch noch nicht in zufriedenstellender Weise gelöst, die synaptische Übertragungsrichtung zwischen den einzelnen Zellen eines solchen Netzwerkes in vitro zu kontrollieren, was z.B. die Aufklärung der Form-Funktion-Beziehung in neuronalem Gewebe erschwert. Ob neuronale Netzwerke mit definiertem Verbindungsmuster durch Zellkultursubstrate mit Oberflächenbeschichtungen aus thermoresponsiven Polymeren (TRP) erzeugt werden können, ist Untersuchungsgegenstand des vorgeschlagenen Projektes. Derartige Beschichtungen können temperaturabhängig von einem zellabweisenden in einen zelladhäsiven Zustand überführt werden, wodurch die Zugänglichkeit einer TRP-beschichteten Substratoberfläche für Zellen und auswachsende Neurite dynamisch kontrolliert werden kann. Mit Mikrofertigungstechniken soll ein mit thermoresponsiven Polymeren mikrostrukturiert beschichtetes Zellkultursubstrat entwickelt werden, dessen Oberfläche durch in das Substrat integrierte Heizelemente mit einer örtlichen Auflösung von wenigen µm temperiert werden kann. Die dadurch erzielbare dynamische und ortsaufgelöste Steuerung der zelladhäsiven Eigenschaften der Substratoberfläche soll die Basis für einen 3-stufigen Zellassay bilden, mit dem (1) zunächst die Position der Zellen auf dem Substrat, (2) dann die Richtung auswachsender Neurite (und damit die Polarisation der Zellen) und (3) erst im Anschluss daran die Vernetzung der polarisierten Zellen kontrolliert werden kann. Zur Beurteilung und Optimierung der Neurokompatibilität der TRP-beschichteten Oberflächen und Kultivierungsprotokolle wird die temperaturabhängige Initialadhäsion von neuronalen Zellen auf der TRP-Beschichtung mittels Einzelzell-Kraftmikroskopie untersucht sowie elektrophysiologische, immunocytochemische und zellbiologische Analysetechniken eingesetzt. Am Ende des Projektes sollen neuronale Netzwerke mit definiertem Verbindungsmuster erzeugt werden können, wodurch neue methodische Zugänge zu wichtigen neurowissenschaftlichen Fragestellungen, wie z.B. zur Langzeit-Potenzierung (LTP) in der Grundlagenforschung oder im Rahmen der pharmazeutischen Wirkstoffentwicklung für Morbus Alzheimer oder Morbus Parkinson möglich werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ulrich Egert; Dr.-Ing. Steffen Howitz; Dr. Erik Wischerhoff