Crescimento neuronal controlado por campos elétricos de CA em chip

Abstract

Traumas causados por acidentes cerebrais podem induzir degradação e perda do tecido cerebral. A falta de tratamentos para esse tipo de complicação serve como motivação para o desenvolvimento de diferentes pesquisas com foco em formação induzida de sinapses. O presente projeto explora como dispositivos fabricados com canais em escala microscópica podem usar campos elétricos alternados para guiar neurites em determinadas direções e promover conexões entre populações de neurônios. Nosso aparato microfluidico aplica campos AC sobre axônios presentes no topo de lâminas de vidro. As amostras foram projetadas para acoplar eletrodos interdigitados constituídos de óxido de índio e estanho sobre a superfície da lâmina. Esses eletrodos, que são responsáveis pelo estímulo elétrico, são então cobertos por microcanais fabricados em PDMS. Uma análise elétrica dos dispositivos foi realizada com o intuito de verificar se os eletrodos são capazes de fornecer a tensão e a frequência necessária para a realização dos experimentos. Para isso, os aparatos foram submetidos a medidas de impedância e fase para sinais variantes no domínio frequencial. A caracterização elétrica foi feita para conjuntos de eletrodos com diferentes dimensões. Além disso, a influência de meios de cultura iônicos na condutividade das amostras também foi investigada. O uso de meio Neurobasal acarretou em significativa diminuição na impedância do sistema quando comparados às amostras contendo meio aquoso. Para frequências entre 100 kHz e 2 MHz, os dispostivos preenchidos com meio de cultura celular mostraram impedâncias entre [103 − 104] . Isso significa que amostras podem ser conectadas a geradores de função de baixa impedância de saída tendo uma máxima perda de tensão de 50000 ppm. Alguns estudos mostraram bons resultados em crescimento axonal guiado através de aplicações de estímulos elétricos sinusoidais entre 2 e 3 Vp-p sob frequências de 100 kHz. Devido a esse resultado, um gerador de sinais foi projetado e fabricado para entregar estímulos de até 10 Vp-p em frequências entre 0 - 2 MHz. O gerador de sinais mostrou performance limitada com presença de 1 Vp-p de ruído no circuito negativo de alimentação (-5V). Capacitores de desacoplamento foram adicionados nas proximidades do amplificador operacional. Em paralelo ao projeto do gerador de sinais, experimentos eletrocinéticos foram realizados. Micro esferas de silicone provaram a capacidade dos eletrodos interdigitados em guiar partículas. A influência da amplitude do sinal e de sua frequência foram constatadas nesse experimento, porém investigações mais profundas são necessárias para estabelecer uma conclusão sobre os fenômenos por trás dos efeitos vistos. O crescimento orientado dos axônios neuronais foi observado após serem estimulados (experimento realizado em células do hipocampo). Pesquisas mais aprofundadas são necessárias para indicar as razões de tal crescimento.

Traumatic cerebral accidents can lead to degradation and loss of brain tissues. The lack of treatment for such complications motivates diversified studies for induced synapse formation. This project investigates how a microfluidics device can use alternating electric fields to guide neurites through certain directions and promote connections between neuronal populations. Our microfluidic experimental setup applies AC fields to axons of neurons present at the top of glass slides. The samples were designed to have interdigitated electrodes made of indium tin oxide (ITO) deposited in a glass slide. These electrodes, responsible for the electrical stimulation, are covered by PDMS molded micro channels. An electrical analysis of our chips was performed to verify if it can deliver the correct voltage amplitude to the electrodes. To do so, the samples were submitted to tests of impedance and phase answer over frequency variations. This characterization was done for chips with different electrodes width and gap sizes. Also, during these experiments, the influence of ionic medium in conductivity was analyzed. Neurobasal medium has shown to induce significant decrease in the impedance of the chips when compared to water filled samples. At the frequencies of [100 kHz - 2 MHz], chips filled with cell culture medium shown impedance values of [103 − 104] . It means that the devices can be connected to signal generators of low output impedance with maximum voltage drop of 50000 ppm. Some studies have shown good guided axonal growth results through the use of sinusoidal stimulus of amplitudes between 2 and 3 Vp-p at 100 kHz. Following this result, a dedicated portable signal generator was designed and fabricated to deliver 10Vp-p and 0 - 2 MHz of stimulus. The generator showed limited performance with a 1 Vpp ripple in the -5V loop of the power supply. Decoupling capacitors close to the operational amplifier were added to attenuate this oscillation. In the meantime, electrokinetic experiments were carried out. Silicon beads proved that the electrode arrays are able to guide particles. The influence of signal amplitude and frequency were observed on this experiment, but further investigation is necessary to establish a precise conclusion about the phenomenon behind the observed effects. Hippocampal neurons had their axons stimulated and guided axonal growth was observed, the causes for this behavior also need to be investigated.