Nicht-invasive Analyse neuronaler Hirnaktivität bei Methylphenidat-Stimulation (Ritalin) im differenzierenden Gehirn von Zebrafischen mit Hilfe eines mikrofluidischen Chips

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

Methylphenidat (MPH) agiert als Amphetaminderivat als Agonist dopaminerger Neurone. Es reduziert eine übermäßige Impulsivität und fördert das Konzentrationsvermögen ohne ein Suchtpotential aufzuweisen. MPH gilt daher als sicheres Medikament zur Behandlung vom Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitäts-Syndrom (ADHS) und Störungen durch übermäßiges Computerspielen. MPH wird zahlreichen Kindern und Jugendlichen als Medikament (Ritalin, Concerta) verschrieben aber oft auch zur Leistungssteigerung überdosiert. Der Einfluss von MPH auf die neuronale Hirnaktivität und seine länger andauernden Effekte sind wenig verstanden. Wir haben einen mikrofluidischen Chip zur nicht-invasiven Bildgebung neuronaler Hirnaktivität bei chemischer Stimulation von transparenten Zebrafischlarven entwickelt, wobei Glas verwandt wurde, welches keine Autofluoreszenz oder Wirkstoffadsorption aufweist. Ebenso wurden automatisierte Bildanalyseroutinen für die umfangreichen Mikroskopiedatensätze von uns entwickelt, um die Reaktion neuronaler Hirnaktivität auf Amphetamin zu ermitteln. Hierbei reagierten dopaminerge Vorderhirnneurone zuerst, gefolgt von spezifischen neuronalen Populationen des Hinterhirns. Erste Bilddaten zur MPH-Stimulation zeigen ein zum Amphetaminstimulus verwandtes Aktivierungsmuster von Neuronen jedoch wie erwartet zeitlich verzögert und bei niedrigeren Amplituden. Die Identifikation MPH-induzierter neuronaler Aktivierungsmuster wird zeitlich länger andauernde Mikroskopieaufnahmen erfordern, die unter kontrollierten Sauerstoffbedingungen stattfinden sollten. BIO-133 ist ein biokompatibles transparentes Polymer mit einem wasserähnlichen Refraktionsindex, um Glas in der Chipfabrikation bei ähnlichen optischen Eigenschaften gut zu ersetzen. Durch die Verarbeitung bei Raumtemperatur ermöglicht BIO-133 den Einbau von Sensoren zur Funktionalisierung des Chips. Wir planen daher die Konstruktion eines „low refraction index“ (LowRI) NeuroExaminer Chips mit miniaturisierten Sauerstoffsensoren für Langzeitmessungen neuronaler Hirnaktivität von Zebrafischlarven unter kontrollierten Sauerstoffbedingungen. Zunächst sollen Amphetamin- und MHP-stimulierte Änderungen der Hirnaktivität verglichen werden, um ähnlich und unterschiedlich aktivierte neuronale Populationen zu identifizieren. Während beide Substanzen voraussichtlich Neurone der Amygdala aktivieren werden, ist nur für MPH eine Aktivierung von Kleinhirnneuronen bekannt, die wir bei Amphetaminstimulus nicht beobachten konnten. Um länger anhaltende MPH-Effekte zu untersuchen, soll die Hirnaktivität zum einen 18 Stunden nach einer 6-stündigen MPH-Stimulation zum anderen über mehrere Stunden bei akuter MPH-Gabe unter kontrollierten Sauerstoffbedingungen vermessen werden. Diese Untersuchungen werden entscheidende Einblicke in die kurz- und langfristige Änderung der neuronalen Hirnaktivität bei MPH-Stimulation ermöglichen, welches für die Dosierung, Wirkstoffsicherheit und Qualitätskontrolle von MPH von großer Bedeutung ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen