Optoelektrochemische Sensoren auf der Basis von Graphen für das simultane Messen von elektrischer und chemischer Aktivität von Einzelzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Schuhmann
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279144839

Das Verständnis von molekularen Prinzipien in der neuronalen Kommunikation erlaubt neue Einsichten in neurodegenerative Krankheiten und damit neue therapeutische Möglichkeiten. Hierfür fehlen jedoch Messinstrumente, die gleichzeitig die elektrischen und chemischen Signale von Einzelzellen detektieren. In Rahmen diesen Projektes sollen neue auf Graphen-basierende Sensoren entwickelt werden, welche die simultane Messung dieser beiden Signale in Einzelzellen sowohl in Zellkulturen als auch in organ-typischen Gewebeschnitten erlauben. Der Sensor verwendet Oberflächenplasmonresonanzimaging (SPRi) als bildgebende Methode, die eine ausgezeichnete räumliche und zeitliche Auflösung hat. Durch die Verwendung von Graphen kann sowohl die Empfindlicheit der SPRi-Detektion als auch die Stromdichte bei der elektrochemischen Messung bei einer verbesserten Biokompabilität deutlich erhöht werden. Neben den neuen Erkenntnissen über die Wechselwirkungen von elektrischen und chemischen Signalen in lebenden Zellen ist dieser Sensor auch ein wichtiger Schritt für die Entwicklung von neuartigen Prothesen, die auf der Kommunikation mit lebenden Zellen basieren. Der Kern des Sensors soll ein Zellchip sein, der eine Mikroscheibenelektrode enthält, an der die Zellen binden. Diese ist von einer zellfreien Ringelektrode umgeben, die ggf. mit Enzymen modifiziert sein kann. Sind Zellen an die Scheibenelektrode gebunden, kann die Ringelektrode auf ein Potential polarisiert werden, bei dem Signalmoleküle aus der Zelle oxidiert bzw. reduziert werden. Dieser Prozess wird durch hochauflösende SPRi des Zellchips mit hoher Bildfrequenz (~10000 fps) aufgezeichnet, während ein physikalischer oder chemischer Reiz auf die Zellen gegeben wird. SPR Abbildungen der zellbedeckten Scheibenelektrode werden durch Änderungen des extrazellulären Feldpotentials moduliert, wodurch z.B. die Ausbreitung von Aktionspotentialen beobachtet werden kann. SPR Abbildungen der Ringelektrode variieren mit Änderung der lokalen Stromdichte, die durch unterschiedliche lokale Konzentrationen der Signalmoleküle hervorgerufen wird. Neuronale Zellen wechseln ihr extrazelluläres Feldpotential im Bereich von Millivolt und setzen nur geringe Mengen an Signalmolekülen frei. Die Empfindlichkeit der SPRi muss also verbessert werden, wofür Graphen sich bereits als geeignetes Verstärkungsmedium gezeigt hat. Graphen wird also für die Verstärkung sowohl der elektrischen als auch der chemischen Signale eingesetzt werden. Diese neue Methode zur Messung der extrazellulären Feldpotentiale kann den Einsatz von spannungsensitiven Farbstoffen ersetzen, wobei mindestens die Ortsauflösung der optischen Mikroskopie erreicht wird. Diese neuartigen Sensoren verbinden damit eine bislang noch nicht erreichte Ortsauflösung mit der störungsfreien Messung der chemischen Signale von Zellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Frankreich, Italien, Niederlande, Rumänien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Axel Blau; Professor Rabah Boukherroub, Ph.D.; Dr. Thomas Cremers; Dr. Szilveszter Gaspar; Professor Dr. Sorin Melinte; Dr. Ben Westerink