Untersuchungen zur Zell-Transistor-Kopplung mittels der Voltage-Clamp-Technik

Untersuchungen zur Zell-Transistor Kopplung mittels der Voltage-Clamp TechnikIn der vorliegenden Arbeit wird die extrazelluläre Einkopplung elektrischer Signale von Zellen in Transistoren hinsichtlich der an der Kopplung beteiligten Parameter untersucht. Dafür werden Zellen aus Primärkulturen und von Zell-Linien direkt auf den aktiven Sensorflächen der hergestellten Chips kultiviert. Für die Experimente werden n- und p-Kanal Feldeffekttransistoren (FET) sowie Extended-Gate-Elektroden (EGE) mit Gold- und Titanoberflächen entwickelt.Zur Untersuchung der Kopplungseigenschaften werden die neuronale Zell-Linie SH-SY5Y, die humane Endothel Zell-Linie EA.hy-926 sowie als Primärzellen hippocampale Neuronen und Kardiomyozyten embryonaler und neonataler Ratten eingesetzt. Die Voltage-Clamp Technik erlaubt die Untersuchung spannungsgesteuerter Ionenkanäle in der Zellmembran. Maßgebend für den Signalverlauf des extrazellulär eingekoppelten Signals ist der Ionenstrom von Na+, K+ und Ca2+ durch die Membran im Kontaktbereich zwischen Zelle und Sensor.Die Kopplung kann elektrisch mithilfe eines Ersatzschaltkreises beschrieben werden, der alle beteiligten elektrischen Größen der Membran und der Ionenströme, sowie die Parameter des Kontaktbereichs und des Sensors enthält.Die Simulation der extrazellulären Signale zeigt, dass die beobachteten Signalformen nur durch eine Erhöhung der Ionenkanaldichten und dadurch einer deutlich vergrößerten Leitfähigkeit der Ionenarten im Kontaktbereich gegenüber der freien Membran erklärt werden können.

Research on the cell-transistor coupling with voltage-clamp techniqueThe extracellular coupling of electrical signals from cells with field-effect-transistors were investigated. Cells from primary cultures and from cell-lines were cultured on the active sensor surfaces. For the coupling, it was necessary to develop n- and p- channel field-effect-transistors (FET) and extended-gate-electrodes (EGE) with gold and titanium surfaces.For the coupling experiments, the neuronal cell-line SH-SY5Y, human endothelium cell-line, primary hippocampal neurons and cardiac myocytes were used. The voltage-gated ion channels can be examined with the voltage clamp technique.The extracellular signals were influenced by the Na+, K+ and Ca2+ currents, through the cell membrane, into the contact area between the cell and the sensor.The extracellular recordings can be described by an electric circuit, which contains all the cell elements and parameters of the contact area.The simulation of the extracellular recording showed that the signal shape can only be described by an accumulation of ion channels. This accumulation of channels caused an enhanced ionic conductivity in the contact area, relative to the free membrane.