Project

Discipline

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

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.

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Last update: 08.05.2015

Active participation

Communication	Title	Media	Place	Year

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.