Micropipet gebruikt gerichte ionengifte om individuele neuronen te activeren

Onderzoekers van Linköping University hebben een nieuw type pipet ontwikkeld dat ionen aan individuele neuronen kan leveren zonder het gevoelige extracellulaire milieu te beïnvloeden. Het beheersen van de concentratie van verschillende ionen kan belangrijke inzichten bieden in hoe individuele hersencellen worden beïnvloed en hoe cellen samenwerken. De pipet kan ook worden gebruikt voor behandelingen.

Hun studie is geweest gepubliceerd in het dagboek Klein.

“Op de lange termijn zou deze technologie kunnen worden gebruikt om neurologische ziekten zoals epilepsie met extreem hoge precisie te behandelen”, zegt Daniel Simon, professor aan Linköping University, Liu.

Het menselijk brein bestaat uit ongeveer 85 tot 100 miljard neuronen. Het heeft ook ongeveer dezelfde hoeveelheid hersencellen die de neuronfunctie ondersteunen met bijvoorbeeld voeding, zuurstof en genezing. Deze cellen worden gliale cellen genoemd en kunnen in veel subgroepen worden verdeeld. Tussen de cellen is er een met vloeistof gevulde ruimte die het extracellulaire milieu wordt genoemd.

Het verschil tussen het milieu in de cellen en dat buiten belangrijk is voor de celfunctie en een belangrijk aspect is het transport van verschillende soorten ionen tussen de twee milieus. Neuronen worden bijvoorbeeld geactiveerd wanneer de concentratie van kaliumionen verandert.

Het is bekend dat een verandering in het hele extracellulaire milieu neuronactiviteit en daardoor hersenactiviteit beïnvloedt. Het is tot nu toe echter niet bekend hoe lokale veranderingen in ionenconcentratie individuele neuronen en gliacellen beïnvloeden.

Eerdere pogingen om het extracellulaire milieu te veranderen, hebben in de eerste plaats gepompt in een vorm van vloeistof gepompt. Maar dit betekent dat de delicate biochemische balans wordt verstoord, waardoor het moeilijk is om te weten of het de stoffen in de vloeistof zijn, de veranderde druk of de extracellulaire vloeistof die rond wervelt die tot de activiteit leidt.

Om het probleem te omzeilen, ontwikkelden onderzoekers van het Laboratory of Organic Electronics, Loe bij Liu een micropipet die slechts 2 micrometer in diameter meten. Ter vergelijking, menselijk haar meet 50 en een neuron met een diameter van ongeveer 10 micrometer.

Met behulp van deze zogenaamde iontonische micropipet kunnen de onderzoekers alleen ionen, zoals kalium en natrium, toevoegen aan het extracellulaire milieu om te zien hoe dit de neuronen beïnvloedt. Gliale cel, met name astrocyten, activiteit wordt ook gemeten.

“Gliacellen zijn de cellen die de andere – chemisch – de helft van de hersenen vormen, waar we niet veel over weten, omdat er geen manier is geweest om die cellen precies te activeren, omdat ze niet reageren op elektrische stimulatie. Maar zowel neuronen als gliale cellen kunnen chemisch worden gestimuleerd,” zegt Theresia Arbring Sjöström, Assistant Palce at Loe.

De experimenten werden uitgevoerd op plakjes hippocampus hersenweefsel van muizen.

“De neuronen reageerden niet zo snel op de verandering in ionenconcentratie als we aanvankelijk hadden verwacht. De astrocyten reageerden echter direct en zeer dynamisch. Alleen wanneer deze ‘verzadigd’ waren, waren de zenuwcellen geactiveerd. Dit benadrukte de verfijnde dynamiek tussen verschillende soorten cellen in de hersenen op een manier die andere technologieën niet hebben beheerd,” zegt arbring sjöström.

Enigszins vereenvoudigd, kunt u zeggen dat de pipet wordt vervaardigd door een glazen buis te verwarmen en naar het breekpunt te trekken. Dit produceert een zeer dunne en taps toelopende punt. Dit type micropipet wordt meestal in neurowetenschappen gebruikt om elektrische activiteit in de hersenen te creëren en te meten.

De iontronische micropipet van de Liu-onderzoekers heeft een tip gevuld met een speciaal aangepast ionenuitwisselingsmembraan, waardoor het mogelijk is om activiteit op chemische middelen te creëren. Anders dan dat, ziet het er identiek uit aan de traditionele micropipet en wordt het op een vergelijkbare manier geregeld.

“Het voordeel is dat tienduizenden mensen over de hele wereld bekend zijn met deze tool en weten hoe ze ermee kunnen omgaan. Hopelijk zal dit het sneller nuttig maken”, zegt Daniel Simon.

De volgende stap is het blijven bestuderen van chemische signalering in zowel gezond als ziek hersenweefsel met behulp van de micropipet. De onderzoekers willen ook de afgifte van medische geneesmiddelen ontwikkelen en het effect ervan tegen neurologische ziekten zoals epilepsie bestuderen.