NeuroExaminer - ein mikrofluidisches Gerät zur physiologischen Analyse neuronaler Schaltkreise

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dietzel; Professor Dr. Reinhard W. Köster
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427719460

Psychiatrische Störungen betreffen große Teile der Weltbevölkerung. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Verschreibungen neuromodulatorischer Medikamente für Kinder und Jugendliche als auch Erwachsene zunehmen, und zwar insbesondere in den westlichen Industriestaaten. Die Auswirkungen neuromodulatorischer Medikamente auf die Physiologie des gesamten Gehirns sind indes kaum verstanden und diagnostische Ansätze für den Menschen zumindest kurz- bis mittelfristig sehr unwahrscheinlich. Studien zur Charakterisierung von Medikamenten in anderen Wirbeltieren, z.B. dem Zebrafisch, können aufgrund evolutionär hoch konservierter neuronaler Schaltkreise jedoch sehr aussagekräftig sein. In dem hier vorgeschlagenen Projekt werden wir ein neuartiges Gerät entwickeln, das es erlaubt, die physiologischen Folgen von Medikamenten auf das gesamte Gehirn in vivo darzustellen. Der Kern des Systems - genannt NeuroExaminer - wird durch fortgeschrittene Methoden der Mikrofertigung realisiert und ermöglicht es, präzise chemische Stimulationen mit Lichtblattmikroskopie zu kombinieren, so dass deren Auswirkungen auf die neuronale Aktivität des gesamten Gehirns mit zellulärer Auflösung und im Millisekundenbereich gemessen werden können. Typisches Material in der Mikrofluidik (PDMS) hat jedoch eine relativ hohe Autofluoreszenz sowie die Tendenz, chemische Komponenten zu absorbieren, was zu Rauschen in der Bildgebung bzw. undefinierten Reizkonzentrationen führt. Der NeuroExaminer besteht daher aus Glas oder Glas kombiniert mit zwei-Photonen-polymerisierten Elementen für die kontrollierte Wirkstoffzuführung mit sekundengenauer Auflösung und steilen Konzentrationsgradienten. Dies erlaubt es, pharmakokinetische und neuromodulatorische Funktionen wasserlöslicher Verbindungen zu untersuchen. Mit einem NeuroExaminer Protopypen werden wir die Veränderungen analysieren, die durch zwei verschiedene psychostimulierende Substanzen hervorgerufen werden, indem wir die neuronale Aktivität des gesamten Gehirns mit zellulärer Auflösung über mindestens eine Stunde kontinuierlich überwachen. Somit wird der NeuroExaminer als ein neues leistungsfähiges Instrument präsentiert, um spezifische neuronale Aktivitäten von Medikamenten aufzuzeigen, und zwar von deren Wirkungseintritt bis zur Neuromodulation sowie deren zeitabhängiger Aktivierung oder Unterdrückung von Schaltkreisen. Diese Arbeit führt eine dringend benötigte wissenschaftliche Methodik ein, die grundlegende Erkenntnisse über neuronale Schaltkreise ermöglicht und es erlaubt, jede wasserlösliche Verbindung auf deren potenzielle neuromodulatorische Funktion hin zu in testen. Neurowissenschaftliche Grundlagenforschung, Medikamentenentwicklung in der pharmazeutischen Industrie sowie behördliche Prüfungen der Medikamentensicherheit werden vom NeuroExaminer profitieren. Letztlich wird der Zugang zu neuartiger neurophysiologischer Diagnostik dazu beitragen, bessere Behandlungen neuropsychiatrischer Erkrankungen zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen