Microfluidic-MEA hybrid systems for electrophysiological recordings of neuronal co-cultures

Stevanović, Jelena; De Laporte, Laura; Offenhäusser, Andreas

doi:44500

Microfluidic-MEA hybrid systems for electrophysiological recordings of neuronal co-cultures

Stevanović, Jelena^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeJelena Stevanović

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource (ix, 186 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-831-5

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Schlüsseltechnologien ; 295

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Druckausgabe: 2025. - Onlineausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
De Laporte, Laura (Thesis advisor)^RWTH* ; Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06240
URN: urn:nbn:de:hbz:5:2-1486730
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015178/files/1015178.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
axon guidance (frei) ; brain-on-a-chip (frei) ; microelectrode arrays (frei) ; microfluidics (frei) ; unidirectional transmission (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Untersuchung der Entwicklung und Degeneration des Gehirns wird häufig im Rahmen von In-vivo-Studien durchgeführt. Neu entwickelte In-vitro-Modelle bieten jedoch eine bessere Präzision und Spezifität bei der Untersuchung von neuronalen Netzwerken. Zum Beispiel die Verwendung von mikrofluidischen Mikrokanälen, die sich als erfolgreiche Methode zur Isolierung von Axonen und zur Steuerung ihres Wachstums erwiesen haben. Aufbauend auf der ursprünglich von Peyrin et al. 2011 vorgeschlagenen Axon Dioden Mikrokanalform habe ich ein µFluidic-MEA-Gerät mit integrierten Mikrokanalstrukturen auf einer Aufnahmeplattform entwickelt. Die Mikrokanäle wurden unter Verwendung von photostrukturierbarem Polymer, d.h. HD-8820, hergestellt, um die Präzision der Ausrichtung der kompartimentierten Mikrofluidik auf der Oberseite zu verbessern und die Ko-Kultivierung von kortikalen und striatalen neuronalen Zellen zu erleichtern. Das primäre Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der elektrophysiologischen Aktivität einer kortiko-striatalen Co-Kultur in einem µFluidic-MEA-Gerät, wobei die Länge der Axon Dioden Mikrokanäle variiert wurde. Ein sekundäres Ziel war es, die Unidirektionalität des Geräts und die aufzeichenbare Aktivitätsausbeute zu verbessern, indem das Layout des Mikroelektroden-Arrays und die Anzahl der elektrisch aktiven Mikrokanäle verändert wurden. Die Co-Kultur wird dann in einem neu vorgeschlagenen µFluidic-r16MEA-Gerät unter den gleichen Bedingungen der reversiblen (RB) und irreversiblen (IRB) Endmontage des Geräts beobachtet. Die Analyse der aufgezeichneten elektrophysiologischen Aktivität konzentrierte sich auf die Klassifizierung von Aktionspotential-Spike-Formen, den Mikrokanal-Verstärkungseffekt und die Messung der Signalausbreitungsgeschwindigkeiten während der Langzeit-Zellkulturpflege (bis zu DIV 35). Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit ist die Definition und Charakterisierung von monophasischen Spike-Formen mit geringer Spitze-zu-Spitze-Amplitude, über die unseres Wissens bisher noch nicht berichtet worden ist. Die Bedeutung dieser Ergebnisse liegt in einem umfassenden Verständnis der axonalen Dynamik im Bereich der Mikrokanäle. Das Auftreten dieser Form ist mit den Grenzmikrokanalelektroden verbunden, was darauf hindeutet, dass die Kopplung zwischen Axon und Elektrode weniger effektiv ist und zu einem weniger sichtbaren Signal führt. Je nach Elektrodenpaar und Länge des Mikrokanals, der für diese Art der Analyse beobachtet wird, liegen die Signalausbreitungsgeschwindigkeiten zwischen 0,14 und 1,7 m/s. Aufgrund der Größe der Mikrokanäle können mehrere Axone durchlaufen, was es schwierig macht, mit Sicherheit zu bestimmen, ob ein bestimmtes Spike-Paar korrekt ist. Dies kann bei Aufzeichnungen beobachtet werden, bei denen die Richtung der Signalausbreitung atypisch ist, wobei sowohl vorwärts als auch rückwärts gerichtete Spike-Paare in einer Folge von Spikes erkannt werden, die als zum selben Axon gehörig gekennzeichnet sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die erfolgreiche Anwendung eines neuartigen Herstellungsverfahrens für Mikrokanäle auf einer MEA demonstriert wurde. Die folgenden Auswirkungen der Endmontage des Geräts (RB vs. IRB) wurden auf die elektrophysiologische Aktivität von kortiko-striatalen Co-Kulturen beobachtet. Die eingeführten Änderungen im gesamten mikrofluidischen Design haben Vorteile in Bezug auf die Ausbeute der Mikrokanalaktivität und die Unidirektionalität des axonalen Wachstums gebracht.

The study of brain development and degeneration is frequently observed in the scope of in vivo studies. However, newly developed in vitro models offer better precision and specificity in the investigation of neuronal networks. For example, the use of microfluidic microchannels, which have proven to be a successful method of isolating axons and directing their growth. Building upon the axon diode microchannel shape initially proposed by Peyrin et al. in 2011, I developed a µFluidic-MEA device with integrated microchannel structures on a recording platform. The microchannels were fabricated using photostructurable polymer, i.e. HD-8820, with the goal of improving the precision of aligning the compartmentalized microfluidic on top and facilitating the co-culturing of cortical and striatal neuronal cells. The primary objective of this thesis was to characterize the electrophysiological activity of a cortico-striatal co-culture in a µFluidic-MEA device, with variation of axon diode microchannel lengths. A secondary objective was to enhance the unidirectionality of the device and recordable activity yield by modifying the microelectrode array layout and the number of electrically active microchannels. The co-culture is then observed in a newly proposed design µFluidic-r16MEA device following the same conditions of reversible (RB) and irreversible (IRB) final device assembly. The analysis of recorded electrophysiological activity was focused on action potential spike shapes classification, microchannel amplification effect, and measuring of the signal propagation velocities over the long-term cell culture maintenance (up to DIV 35).One of the main findings in this thesis is the definition and characterization of small in peak-to-peak amplitude monophasic spike shapes that, to the best of our knowledge, have not been reported previously. The significance of these results lies in the comprehensive understanding of axonal dynamics within the microchannel area. The occurrence of this shape is associated with the boundary microchannel electrodes, indicating that the axon-electrode coupling is less effective and results in a less visible signal. Depending on the electrode pair and the length of the microchannel observed for this type of analysis, the signal propagation velocities range from 0.14 to 1.7 m/s. The size of the microchannels allows multiple axons to pass through, making it challenging to determine with certainty whether a given spike pair is correct. This can be observed in recordings where the directionality of signal propagation is atypical, with both forward and backward spike pairs being detected in a train of spikes that are labeled as belonging to the same axon. In conclusion, the successful application of a novel fabrication approach for microchannels on top of an MEA has been demonstrated. The following effects of final device assembly (RB vs. IRB) were observed on electrophysiological activity from cortico-striatal co-culture. The introduced changes in the overall microfluidic design have brought benefits in terms of microchannel activity yield and unidirectionality of axonal growth.

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