title: Neuromicrophysiological systems with integrated electrodes for morphological and electrophysiological evaluations of 3D neuronal networks
Creators: name: Ersoy, Fulya
Publisher: name: Universität Tübingen
Year: 2025
Subjects: subject: 500
subject: 570
subject: 610
subject: 620
subject: Mikrofabrikation
subject: Nervenzelle
subject: microfabrication
subject: 3D cell culture
subject: Elektophysiologie
subject: Electrophysiology
subject: 3D-Zellkultur
subject: MEA
subject: Neuronales Netz
subject: Neuro-microphysiological systems
subject: organ-on-chip

description: Neurologische Erkrankungen werden zunehmend zu einer Belastung für die Gesellschaft. Ihre Häufigkeit nimmt mit steigender Lebenserwartung zu, da viele neurodegenerative Krankheiten altersbedingt sind. Ziel dieser Forschung ist die Entwicklung von Plattformen zur Untersuchung neurologischer Erkrankungen in vitro, um ein tieferes Verständnis ihrer Phänotypen zu ermöglichen. Darüber hinaus bieten die in dieser Studie entwickelten neuro-mikrophysiologischen Systeme (NeuroMPS) Plattformen zur Durchführung von Medikamenten- und Neurotoxizitäts-Screenings mit mehreren gleichzeitigen Readouts. In dieser Studie wurden zwei NeuroMPS entwickelt, um 3D neuronale Netzwerke in vitro zu untersuchen. NeuroMPS 1.0, mit 18 Wells, ist zur Untersuchung von ECM-unterstützten Kulturen konzipiert, während NeuroMPS 2.0, mit 9 Wells, für die Untersuchung von Neurosphären gedacht ist. In beiden NeuroMPS sind gekappte Mikroelektroden integriert, die als neuartige Werkzeuge nicht-invasive elektrophysiologische Auslesungen über Neuriten ermöglichen. Das vollständige Glasdesign zielt auf gleichzeitige morphologische Readouts ab, und das Open-Well-Design erleichtert die Analyse von Effluenten. Der gründliche Validierungsprozess für NeuroMPS 1.0 und NeuroMPS 2.0 stellte die Zuverlässigkeit und Robustheit dieser Plattformen zur Untersuchung neurologischer Erkrankungen sicher. NeuroMPS 1.0 wurde unter Verwendung von Co-Kulturen aus Neuronen, Astrozyten und Mikroglia, die aus primären murinen Quellen stammen, validiert. NeuroMPS 2.0 wurde mit menschlichen Neurosphären validiert, die aus neuralen Vorläuferzellen differenziert wurden. Morphologische Readouts wurden durch Immunzytochemie, Live-Imaging von GFP-transduzierten Zellen und fluoreszierende Farbstoffe durchgeführt. Die synaptischen Verbindungen neuronaler Schaltkreise wurden mittels Kalzium-Imaging und elektrophysiologischen Aufzeichnungen bestätigt. Die Netzwerkfunktionalität wurde unter Verwendung verschiedener Antagonisten (PTX, BIC, CNQX, APV), Natriumkanalblocker (TTX) und Kaliumkanalblocker (4-AP) gezeigt. Rotenon, ein Neurotoxin, wurde verwendet, um die Empfindlichkeit der NeuroMPS zu verdeutlichen. Die Ergebnisse zeigten, dass elektrophysiologische Veränderungen früher als morphologische und metabolische Veränderungen nach der Toxinapplikation erkannt wurden. Dies weist darauf hin, dass NeuroMPS frühzeitige Erkennungsmöglichkeiten durch elektrophysiologische Readouts bieten. Zusammenfassend lassen sich NeuroMPS als innovative Werkzeuge zur Untersuchung von 3D neuronalen Netzwerken, zur Krankheitsmodellierung und zum Screening von Medikamenten oder Toxinen, die auf das zentrale Nervensystem abzielen, einsetzen. Diese Plattformen versprechen viel für die Zukunft der neurologischen Forschung und wecken Hoffnungen auf effektivere Krankheitsmodelle und Medikamentenscreenings in den kommenden Jahren. Die Entwicklung von NeuroMPS 1.0 wurde von der Baden-Württemberg Stiftung GmbH im Rahmen des Fördervertrags MIVT-7 (NEWRON-3D) finanziert, und die Entwicklung von NeuroMPS 2.0 wurde von EUROSTARS im Rahmen des Fördervertrags E!115217 (NEUROCHIP) finanziert.
description: Neurological diseases are increasingly becoming a burden on society. Their prevalence is anticipated to grow as life spans increase, given that many neurodegenerative diseases are age-related. This research aims to develop platforms to study neurological diseases in vitro, facilitating a deeper understanding of their phenotypes. Additionally, the neuro-microphysiological systems (NeuroMPS) developed in this study provide platforms for conducting drug and neurotoxic screenings with multiple simultaneous readouts. In this study, two NeuroMPSs were developed to investigate 3D neuronal networks in vitro. NeuroMPS 1.0, featuring 18 wells, is designed to study ECM-supported cultures, while NeuroMPS 2.0, with 9 wells, is intended to study neurospheres. Both NeuroMPSs are integrated with capped microelectrodes, which are novel tools enabling noninvasive electrophysiological readouts via neurites. The complete glass design aims for simultaneous morphological readouts, and the open-well design facilitates effluent analysis. The validation process for NeuroMPS 1.0 and NeuroMPS 2.0 was thorough, ensuring the reliability and robustness of these platforms for studying neurological diseases. NeuroMPS 1.0 was validated using co-cultures of neurons, astrocytes, and microglia derived from primary murine sources. NeuroMPS 2.0 was validated with human neurospheres differentiated from neural progenitor cells. Morphological readouts were performed via immunocytochemistry, live imaging of GFP-transduced cells, and fluorescent dyes. The synaptic connections of neuronal circuits were confirmed using calcium imaging and electrophysiological recordings. Network functionality was evaluated using various antagonists (PTX, BIC, CNQX, APV), sodium channel blockers (TTX), and potassium channel blockers (4-AP). Rotenone, a neurotoxin, is used to highlight the sensitivity of the NeuroMPSs. The result of the neurotoxicity assay has shown that electrophysiological alterations were detected earlier than morphological and metabolic changes following toxin application. This indicates that NeuroMPSs provide early detection capabilities through electrophysiological readouts. In conclusion, NeuroMPSs emerge as innovative tools for studying 3D neuronal networks, facilitating disease modeling, and screening drugs or toxins targeting the central nervous system. These platforms hold great promise for the future of neurological research, inspiring hope for more effective disease modeling and drug screening in the years to come. The development of NeuroMPS 1.0 was funded by the Baden Württemberg Stiftung GmbH under the grant agreement MIVT-7 (NEWRON-3D), and the development of NeuroMPS 2.0 was funded by EUROSTARS under the grant agreement E!115217 (NEUROCHIP).