Projekt

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

Gesuchsteller/in Kunze Anja
Nummer 147753
Förderungsinstrument Advanced Postdoc.Mobility
Forschungseinrichtung Di Carlo Microfluidics Laboratory Department of Bioengineering UCLA
Hochschule Institution ausserhalb der Schweiz - IACH
Hauptdisziplin Andere Gebiete der Ingenieurwissenschaften
Beginn/Ende 01.10.2013 - 31.03.2015
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Alle Disziplinen (9)

Disziplin
Andere Gebiete der Ingenieurwissenschaften
Mikroelektronik, Optoelektronik
Zellbiologie, Zytologie
Biomedical Engineering
Biophysik
Andere Gebiete der Physik
Psychische Störungen, Psychosomatische Leiden
Neurophysiologie und Hirnforschung
Pathophysiologie

Keywords (10)

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

Lay Summary (Deutsch)

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.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 08.05.2015

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Publikationen

Publikation
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.), Microfluidic and Compartmentalized Platforms for Neurobiological Research, Springer New York, Neuromethods, 197-215.
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.
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.
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.
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.
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 ).
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.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Felder der Zusammenarbeit
Felix Schweizer Group at UCLA Vereinigte Staaten von Amerika (Nordamerika)
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
ECE Seminar at University of Florida Einzelvortrag Nanoengineered Intracellular Forces and their Interplay with Neurons 25.02.2015 Gainesville, Florida, Vereinigte Staaten von Amerika Kunze Anja
Biomedical Engineering Seminar at GeorgiaTech Einzelvortrag Nanoengineered Intracellular Forces and their Interplay with Neurons 24.02.2015 Atlanta, Georgia, Vereinigte Staaten von Amerika Kunze Anja
TUM - Neurosymposium Einzelvortrag Nanoengineering tools to determine mechanical sensitivity of cortical neurons during development 23.02.2015 Munich, Germany, Vereinigte Staaten von Amerika Kunze Anja
UIUC - Bioengineering Seminar Einzelvortrag Engineering the Neuronal Cell Niche Using Micro- and Nanotechnological Tools for Neurodegenerative Disease Studies. 03.04.2014 Urbana-Champaing, Illinois, Vereinigte Staaten von Amerika Kunze Anja


Kommunikation mit der Öffentlichkeit

Kommunikation Titel Medien Ort Jahr
Medienarbeit: Printmedien, Online-Medien "Des mini-cerveaux reconstitués en laboratoire" by Sabine Sasalonga Le Monde de l’Intelligence – N° 34 Westschweiz 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.