Organoid-Elektrophysiologie und Mesh-Mikroelektrodenarrays
Gruppenleiter Biomedizinische Mikro- und Nanotechnik
Fortschrittliche Lösungen für Organoid-, Sphäroid- und Gewebemodelle
Unsere netzartigen Mesh-Mikroelektrodenarrays (Mesh MEAs) sind optimale Werkzeuge für Forschende, die die Elektrophysiologie von 3D-neuronalen und kardialen Gewebemodellen untersuchen. Entwickelt für nicht-invasive, langfristige Elektrophysiologie, integrieren sich unsere Mesh MEAs nahtlos in Sphäroide und Organoide und ermöglichen eine einfache Aufzeichnung und Stimulation innerhalb des Gewebes.
Vorteile von Mesh MEAs
- 3D-Kompatibilität: Die Mesh-Struktur hält Organoide sanft von festen Oberflächen fern. Das hängemattenartige Mesh stützt das Organoid zunächst und wird im Laufe der Zeit von Zellen durchwachsen, sodass die Elektroden in das Gewebe eingebettet sind. Im Gegensatz dazu haben traditionelle planare MEAs nur zu oberflächlichen Zellen Kontakt, behindern den Nährstoff- und Gasaustausch und stören die 3D-Struktur des Organoids.
- Langfristige Lebensfähigkeit: Unsere Geräte sind für monatelange Kulturen ausgelegt und ermöglichen Langzeitstudien zur elektrischen Aktivität sowie zu chronischen Expositions- oder Krankheitsmodellen. Organoide können in jedem Entwicklungsstadium auf das Mesh MEA übertragen werden.
- Skalierbar & einfach zu verwenden: Wir fertigen Mesh MEAs mit modernsten Mikrofabrikationsmethoden, die eine effiziente Produktion mit hoher Ausbeute ermöglichen. Unsere MEAs sind für die Nutzung mit kommerziellen Verstärkern und Fluid-Handhabungssystemen konzipiert.
- Hochauflösende Datenaufzeichnung: Unsere Mikroelektroden mit niedriger Impedanz sind für rauscharme Aufzeichnungen optimiert und erfassen spontane und stimulierte Aktivitäten mit höchster Präzision.
Anwendungsbereiche
- Funktionelle Charakterisierung von Gehirnorganoiden und neuronalen Sphäroiden
- Elektrophysiologische Studien in kardialen Sphäroiden und Herzgeweben
- Pharmakologisches Screening und Toxikologietests in 3D-Zellmodellen
- Entwicklung von personalisierten Medizin- und Krankheitsmodellen
Poröse Dünnfilm-Polyimid-MEAs wurden am NMI in den frühen 2000er Jahren für eine verbesserte Schnittstelle mit In-vitro-Gewebepräparaten entwickelt (Stett et al., 2007) und sind als pMEAs von Multi Channel Systems erhältlich. Unsere Polyimidtechnologie wurde zum Teil zur Unterstützung klinischer Netzhautimplantate entwickelt (zusammen mit der inzwischen aufgelösten Retina Implant AG) und wurde in großem Umfang für implantierbare Geräte verwendet (Jones et al., 2016; Pascual et al., 2023; Steins, 2023), einschließlich poröser Optionen zur Verbesserung der Schnittstelle mit dem Gewebe.
An anderer Stelle wurde 2012 erstmals über Mesh-MEAs für In-vitro-Experimente berichtet (Tian et al., 2012). Diese Arbeit war ein früher Schritt hin zu einer großen Anzahl von Arbeiten über implantierbare Mesh-MEAs (vom Labor von Charles Lieber und anderen als „Mesh-Elektronik“ bezeichnet) (Hong et al., 2018). Mesh-MEAs verwenden Polymerstrukturen mit zellularen Merkmalen und minimieren so die mechanische Fehlanpassung an Zellen und Gewebe, minimieren die Reaktion von Fremdkörpern und optimieren die Aufzeichnungsqualität und Langlebigkeit.
Mit dem Aufkommen der neuralen Organoide in den frühen 2010er Jahren war die Anwendung von Mesh-MEA-Konzepten auf diese 3D-In-vitro-Modelle nur logisch. Eine primäre Herausforderung für Mesh-MEAs, ob in vitro oder in vivo, ist die elektrische Verpackung oder die Anschlüsse an externe Elektronik. Eine weitere Herausforderung für in vitro Mesh-MEAs ist das Design für eine einfache Handhabung und für den Austausch von Medien sowie die Kompatibilität mit Sterilisation und Langzeitstabilität. Eine organoidspezifische MEA war eine häufige Forderung, sowohl von den Teilnehmerinnen und Teilnehmern des MEA-Meetings als auch von unseren Kolleginnen und Kollegen aus den Gruppen Elektrophysiologie und Molekulare Neurobiologie am NMI.
In enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Molekulare Biomedizin und unter der Leitung von Dr. Thomas Rauen und Prof. Hans Schöler haben wir eine hochmoderne Mesh-MEA-Plattform entwickelt. Dieser innovative Ansatz wurde speziell entwickelt, um Proof-of-Concept-Experimente voranzutreiben, indem Mesh-MEAs nahtlos in neuronale Organoide integriert wurden, um die Grenzen der neurobiologischen Forschung zu erweitern (McDonald et al., 2023). In jüngster Zeit haben wir Mesh-MEAs mit fortschrittlichen Verpackungsmethoden entwickelt, um die Skalierbarkeit der Herstellung zu verbessern, einschließlich Versionen mit Drahtbonding von Polyimid-Chips (Stumpp et al., 2023) und verbesserten Well-Designs (Bilder oben).
Wir lassen uns weiterhin von der hervorragenden Arbeit der internationalen MEA-Gemeinschaft inspirieren und lernen von ihr. Es wurden weitere Lösungen für Sphäroide vorgestellt (Kireev et al., 2019; Li et al., 2019; Kalmykov et al., 2021; Le Floch et al., 2022; Yang et al., 2024). Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, und wir sind immer daran interessiert, mehr über die neuesten Technologien zu erfahren!
Hong, G. et al. (2018) ‘Mesh electronics: a new paradigm for tissue-like brain probes’, Current Opinion in Neurobiology, 50, pp. 33–41. Available at: doi.org/10.1016/j.conb.2017.11.007.
Jones, P.D. et al. (2016) ‘In vitro and in vivo probes with mushroom-shaped microelectrodes - tools for in-cell electrophysiology’, in 10th International Meeting on Substrate-Integrated Microelectrode Arrays. Reutlingen. Available at: doi.org/10.3389/conf.fnins.2016.93.00076.
Kalmykov, A. et al. (2021) ‘Bioelectrical interfaces with cortical spheroids in three-dimensions’, Journal of Neural Engineering, 18(5), p. 055005. Available at: doi.org/10.1088/1741-2552/abf290.
Kireev, D. et al. (2019) ‘N3-MEA Probes: Scooping Neuronal Networks’, Frontiers in Neuroscience, 13, p. 320. Available at: doi.org/10.3389/fnins.2019.00320.
Le Floch, P. et al. (2022) ‘Stretchable Mesh Nanoelectronics for Three‐Dimensional Single‐Cell Chronic Electrophysiology from Developing Brain Organoids’, Advanced Materials, p. 2106829. Available at: doi.org/10.1002/adma.202106829.
Li, Q. et al. (2019) ‘Cyborg Organoids: Implantation of Nanoelectronics via Organogenesis for Tissue-Wide Electrophysiology’, Nano Letters, 19(8), pp. 5781–5789. Available at: doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02512.
McDonald, M. et al. (2023) ‘A mesh microelectrode array for non-invasive electrophysiology within neural organoids’, Biosensors and Bioelectronics, 228, p. 115223. Available at: doi.org/10.1016/j.bios.2023.115223.
Pascual, D. et al. (2023) ‘A flexible implant for acute intrapancreatic electrophysiology’, Biomedical Microdevices, 25(3), p. 35. Available at: doi.org/10.1007/s10544-023-00662-2.
Steins, H. (2023) A flexible protruding microelectrode array for visceral neuromodulation. 1. Auflage. München: Verlag Dr. Hut (Biomedical microtechnologies, volume 27).
Stett, A. et al. (2007) ‘Improving of signal-to-noise ratio of electrophysiological recordings from explanted retinas by using perforated microelectrode arrays’, in Mikrosystemtechnik Kongress. Mikrosystemtechnik Kongress, Dresden: VDE Verlag GmbH.
Stumpp, T. et al. (2023) ‘Scalable mesh microelectrode arrays for neural spheroids and organoids’, Current Directions in Biomedical Engineering, 9(1), pp. 575–578. Available at: doi.org/10.1515/cdbme-2023-1144.
Tian, B. et al. (2012) ‘Macroporous nanowire nanoelectronic scaffolds for synthetic tissues’, Nature Materials, 11(11), pp. 986–994. Available at: doi.org/10.1038/nmat3404.
Yang, X. et al. (2024) ‘Kirigami electronics for long-term electrophysiological recording of human neural organoids and assembloids’, Nature Biotechnology [Preprint]. Available at: doi.org/10.1038/s41587-023-02081-3.
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches
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