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Degenerierende Nervenzellen auf Biochips

Wie reagieren lebende, genetisch veränderte Nervenzellen mit einer krankhaften Degeneration auf Wirkstoffe, die für Medikamente gegen die Alzheimer-Krankheit getestet werden? Wie viel von diesem Therapeutikum ist nötig, um das Absterben der Nervenzelle hinauszuzögern? - Mit diesen Fragen haben sich Biochemiker unter der Leitung von Prof. Dr. Andrea Robitzki, Direktorin des Biotechnologisch-Biomedizinischen Zentrums (BBZ) der Universität Leipzig, intensiv beschäftigt.

 

In Zusammenarbeit mit Kollegen der TU Ilmenau, des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg sowie des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen in Magdeburg entwickelte Robitzkis Forschergruppe ein neues, stark miniaturisiertes System mit 384 parallel auslesbaren- Mikroelektroden, die Wirkstofftests in bisher ungekanntem Ausmaß ermöglichen. Die Ergebnisse ihrer vierjährigen Forschungen haben sie jetzt in dem renommierten Fachjournal "Biosensors and Bioelectronics" veröffentlicht.

 

Bis zu 384 lebende Zellproben verschiedenster Art können auf die Titerplatte mit Mikroelektroden gleichzeitig aufgebracht und analysiert werden. In bisherigen Systemen waren es maximal 96. Alle Elektroden auf der Titerplatte sind über winzige Drähte miteinander verbunden, um die Messgenauigkeit des Systems zu erhöhen. Die Zellen werden mit einer bestimmten bioaktiven Substanz in unterschiedlichen Konzentrationen und verschieden lange in Berührung gebracht, und durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung vermessen. Aus der dann folgenden Veränderung des Widerstands dieser Zellen können die Forscher Schlüsse ziehen, die bedeutsam für die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung schwerer Krankheiten wie Alzheimer sind.

 

Im konkreten Fall hat Robitzkis Arbeitsgruppe Nervenzellen auf die Mikroelektroden-Platte aufgebracht, die zuvor in einem Gen an fünf Positionen genetisch verändert wurden. So konnte ein Alzheimer-ähnlicher Prozess in den Nervenzellen ausgelöst werden, bei dem die Nervenfasern degenerierten und die gesamte Nervenzelle letztlich starb. Dies geschah bei den Experimenten im Zeitraffertempo.

 

"Wir haben auf diese Nervenzellen einen chemischen Wirkstoff aufgebracht, der sie vermeintlich schützen sollte", erklärt Robitzki. Es folgte eine kurze regenerative Phase von wenigen Stunden - je nach Konzentration des verabreichten Wirkstoffs. Der elektrische Widerstand der Zelle erhöhte sich kurzzeitig und zeigte eine erhöhte Vitalität. Die schützende Funktion des Wirkstoffes ging dann aber allmählich wieder verloren. "Wir konnten dadurch den Krankheitsverlauf beobachten und nachvollziehen. Das ist wichtig für die Entwicklung neuer Therapeutika. Dazu haben wir einen Beitrag geleistet", sagt die Forscherin. Da die Alzheimer-Erkrankung bis heute nicht heilbar ist, gehe es momentan nur darum, den Prozess der Zerstörung dieser Zellen aufzuhalten oder zeitlich zu verzögern.

 

Verschiedene "therapeutische Szenarien" lassen sich Robitzki zufolge mit der neuentwickelten Mikroelektroden-Platte testen. So könnte beispielsweise Substanzen in verschiedenen Kombinationen sowie in unterschiedlicher Dosierung und Dauer den Zellen zugesetzt werden, um so Wirkung und Nebenwirkung zugleich in Echtzeit betrachten zu können.

 

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Heinz-Georg Jahnkea, Dana Krinkea, Diana Seidel, Katharina Lilienthal, Sabine Schmidt, Ronny Azendorf, Michael Fischer, Till Mack, Frank Striggow, Holger Althaus, Andreas Schober, Andrea A. Robitzki (2016):

A novel 384-multiwell microelectrode array for the impedimetric monitoring of Tau protein induced neurodegenerative processes

DOI:10.1016/j.bios.2016.07.074 Universität Leipzig www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566316307035