Project

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Connect the (brain) dots: How to drive neurons mechanically with magnetic forces.

Applicant Kunze Anja
Number 147753
Funding scheme Advanced Postdoc.Mobility
Research institution Di Carlo Microfluidics Laboratory Department of Bioengineering UCLA
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Other disciplines of Engineering Sciences
Start/End 01.10.2013 - 31.03.2015
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All Disciplines (9)

Discipline
Other disciplines of Engineering Sciences
Microelectronics. Optoelectronics
Cellular Biology, Cytology
Biomedical Engineering
Biophysics
Other disciplines of Physics
Mental Disorders, Psychosomatic Diseases
Neurophysiology and Brain Research
Pathophysiology

Keywords (10)

Neurotherapeutics; Protein polarization; On chip culture; Magnetic nanoparticles; Primary cortical neurons; Magnetic forces; Directed neurit outgrowth; Mechanical stimulus; Microtechnology; Nanotechnology

Lay Summary (German)

Lead
Gehirnimplantate finden immer häufiger Anwendung in der Medizin, um neurodegenerative Erkrankungen, wie z.B. die Parkinson-Krankheit, zu behandeln. Das Gehirnimplantat soll dabei lokal helfen Nervenzellen zu stimulieren und somit Krankheitssymptome lindern. Das Platzieren eines Gehirnimplantates ist jedoch ein medizinisch invasives Verfahren, wobei lokales Nervengewebe mechanisch beeinflusst wird. Als Folge kann es zur Anreicherung von nicht-neuronalen Zellen (Astrocyten), zur Vernarben und zur lokalen Degeneration von neuronalen Verbindungen um das Implantat herum kommen. Eine Möglichkeit, beschädigte neuronale Verbindungen wieder herzustellen, zielt darauf ab, Nanopartikel an das Ende von Nervenfasern zu koppeln und diese durch magnetische Kräfte wieder aneinander zu führen. Dieser Ansatz eröffnet Fragen, wie z. B. wie stark dürfen Nanopartikel an Nervenfasern ziehen, wie können wir diese Kräfte kontrollieren, und welchen Einfluss haben Nanopartikel auf die Funktion von Gehirnzellen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es quantitativ mechanische Kräfte zu bestimmen, die das Wiederherstellen von neuronalen Verbindungen ermöglichen sollen. Das Projekt beinhaltet daher folgende Teile: (i) Neuronale Zellen sollen in einem Petrischalen-basierten Zellkultursystem parallel Nanopartikel induzierten mechanischen Kräften ausgesetzt werden. (ii) Die Komplexität des Gehirngewebes soll entweder durch strukturierte Co-Kulturen mit nichtneuronalen Zellen oder (iii) durch dreidimensionale Kulturverfahren imitiert werden. Es wird dabei im Vordergrund stehen wie Neuronen in unterschiedlichen Zellumgebungen auf die gleichen mechanischen Kräfte reagieren. Es werden Mikro- und Nanotechnik-basierte Zellanordungsverfahren zum Einsatz kommen, die bereits ermöglichen mehrere Parameter zeitgleich zu analysieren.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Von unseren Ergebnissen erhoffen wir uns eine bessere Vorstellung der zellulären Reaktion von Nervenzellen auf mechanische Kräfte zu erhalten. Die Ergebnisse werden daher Neuro-Chirurgen und Neuro-Ingenieuren zugutekommen, die sich um die Verbesserung der Gehirn und Elektroden Schnittstelle bemühen. Langfristig würden unsere wissenschaftlichen Daten es ermöglichen das Risiko bei Gehirnoperationen und die Nachteile von Gehirnimplantantseinsetzen, bei z. B. Patienten mit der Parkinsons-Krankheit, verringern.

Direct link to Lay Summary Last update: 08.05.2015

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
Compartmentalized Microfluidics for In Vitro Alzheimer’s Disease Studies.
Ren Yufei, Kunze Anja, Renaud Philippe (2015), Compartmentalized Microfluidics for In Vitro Alzheimer’s Disease Studies., in Biffi Emilia (ed.), Springer New York, Neuromethods, 197-215.
Engineering cortical neuron polarity with nanomagnets on a chip.
Kunze Anja, Tseng Peter, Godzich Chanya, Murray Coleman, Caputo Anna, Schweizer Felix E, Di Carlo Dino (2015), Engineering cortical neuron polarity with nanomagnets on a chip., in ACS nano, 9(4), 3664-76.
Flexible and stretchable micromagnet arrays for tunable biointerfacing.
Tseng Peter, Lin Jonathan, Owsley Keegan, Kong Janay, Kunze Anja, Murray Coleman, Di Carlo Dino (2015), Flexible and stretchable micromagnet arrays for tunable biointerfacing., in Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), 27(6), 1083-9.
Research highlights: Cell separation at the bench and beyond.
Kunze Anja, Che James, Karimi Armin, Di Carlo Dino (2015), Research highlights: Cell separation at the bench and beyond., in Lab on a chip, 15(3), 605-9.
Advances in high-throughput single-cell microtechnologies.
Weaver Westbrook M, Tseng Peter, Kunze Anja, Masaeli Mahdokht, Chung Aram J, Dudani Jaideep S, Kittur Harsha, Kulkarni Rajan P, Di Carlo Dino (2014), Advances in high-throughput single-cell microtechnologies., in Current opinion in biotechnology, 25, 114-23.
Nanoparticle surface charge impacts vesicle motion in cortical neurons.
Godzich Chanya, Di Carlo Dino, Kunze Anja (2014), Nanoparticle surface charge impacts vesicle motion in cortical neurons., in BMES Abstracts 2014, Texas, San Antonio, USA.
Research highlights: measuring and manipulating cell migration.
Kunze Anja, Pushkarsky Ivan, Kittur Harsha, Di Carlo Dino (2014), Research highlights: measuring and manipulating cell migration., in Lab on a Chip, 14(21), 4117-4121.
Research highlights: Microtechnologies for engineering the cellular environment.
Tseng Peter, Kunze Anja, Kittur Harsha, Di Carlo Dino (2014), Research highlights: Microtechnologies for engineering the cellular environment., in Lab on a chip, 14(7), 1226-9.
Micro magnet chips to study nanoparticle force-induced neural cell migration.
Kunze Anja, Tseng Peter, Murray Coleman, Caputo Anna, Schweizer Felix E., Di Carlo Dino (2013), Micro magnet chips to study nanoparticle force-induced neural cell migration., in 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2013, Chemical and Biological Microsystems Society ( CBMS ).

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Felix Schweizer Group at UCLA United States of America (North America)
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
ECE Seminar at University of Florida Individual talk Nanoengineered Intracellular Forces and their Interplay with Neurons 25.02.2015 Gainesville, Florida, United States of America Kunze Anja;
Biomedical Engineering Seminar at GeorgiaTech Individual talk Nanoengineered Intracellular Forces and their Interplay with Neurons 24.02.2015 Atlanta, Georgia, United States of America Kunze Anja;
TUM - Neurosymposium Individual talk Nanoengineering tools to determine mechanical sensitivity of cortical neurons during development 23.02.2015 Munich, Germany, United States of America Kunze Anja;
UIUC - Bioengineering Seminar Individual talk Engineering the Neuronal Cell Niche Using Micro- and Nanotechnological Tools for Neurodegenerative Disease Studies. 03.04.2014 Urbana-Champaing, Illinois, United States of America Kunze Anja;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media "Des mini-cerveaux reconstitués en laboratoire" by Sabine Sasalonga Le Monde de l’Intelligence – N° 34 Western Switzerland 2014

Abstract

Neural implants are rapidly emerging in clinical applications to treat symptoms of neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s disease. Their insertion into the brain, however, is very invasive causing mechanical trauma, glial scar formation and the degeneration of still intact neurite networks. One possibility to restore damaged neurite connections would be to couple nanoparticles to the end of nerve fibers, and to pull them towards the source of magnetic fields. This approach, however, opens questions such as how strong nanoparticles have to pull on nerve fibers, how strong the magnetic field must be designed, and whether it alters the functioning of other brain cells. To examine these questions quantitatively, we want to apply mechanical forces through magnetic nanoparticles internalized into neurons, and attract these nanoparticles in a micro magnetic field. By applying forces from within cells, the technique allows us to drive cells through non-typically cellular environments rather than to modulate the environment and waiting for a cell response. The microtechnology based approach, enables multiple parameter analysis simultaneously on both single cells and whole cell populations. Using our recently developed nano-to-micro magnetic forces platform with neural cells may help to further improve the biocompatibility of brain implants, and to better understand the biomechanics involved in neurite regeneration.
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