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Title:
USE OF AN ELECTRODE ARRAY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/065251
Kind Code:
A2
Abstract:
The use of an electrode array is disclosed, for the examination of a regeneration brought about in biological material by an active substance, or a physical method.

Inventors:
LEIBROCK CORNELIA (DE)
MUELLER THOMAS (DE)
VOLKMER HANSJUERGEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2001/002332
Publication Date:
September 07, 2001
Filing Date:
March 01, 2001
Export Citation:
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Assignee:
NMI UNIV TUEBINGEN (DE)
LEIBROCK CORNELIA (DE)
MUELLER THOMAS (DE)
VOLKMER HANSJUERGEN (DE)
International Classes:
G01N33/543; (IPC1-7): G01N33/00
Other References:
ROBERT F ET AL: "Microdialysis monitoring of extracellular glutamate combined with the simultaneous recording of evoked field potentials in hippocampal organotypic slice cultures." JOURNAL OF NEUROSCIENCE METHODS. NETHERLANDS 6 JUN 1997, Bd. 74, Nr. 1, 6. Juni 1997 (1997-06-06), Seiten 65-76, XP002211647 ISSN: 0165-0270
STOPPINI L ET AL: "A new extracellular multirecording system for electrophysiological studies: application to hippocampal organotypic cultures." JOURNAL OF NEUROSCIENCE METHODS. NETHERLANDS MAR 1997, Bd. 72, Nr. 1, M{rz 1997 (1997-03), Seiten 23-33, XP002211648 ISSN: 0165-0270
JANOSSY V ET AL: "MULTIELECTRODE CULTURE CHAMBER: A DEVICE FOR LONG-TERM RECORDING OF BIOELECTRIC ACTIVITIES IN VITRO" ACTA BIOLOGICA HUNGARICA, AKADEMIAI KIADO, BUDAPEST, HU, Bd. 41, Nr. 4, 1990, Seiten 309-320, XP000196177 ISSN: 0236-5383
KAWAGUCHI H ET AL: "Dendrite classification in rat hippocampal neurons according to signal propagation properties. Observation by multichannel optical recording in cultured neuronal networks." EXPERIMENTAL BRAIN RESEARCH. EXPERIMENTELLE HIRNFORSCHUNG. EXPERIMENTATION CEREBRALE. GERMANY OCT 1998, Bd. 122, Nr. 4, Oktober 1998 (1998-10), Seiten 378-392, XP002211649 ISSN: 0014-4819
KAWAGUCHI H ET AL: "Multichannel optical recording of neuronal network activity and synaptic potentiation in dissociated cultures from rat hippocampus." NEUROSCIENCE LETTERS. IRELAND 1 MAR 1996, Bd. 205, Nr. 3, 1. M{rz 1996 (1996-03-01), Seiten 177-180, XP002211650 ISSN: 0304-3940
EGERT U ET AL: "A novel organotypic long-term culture of the rat hippocampus on substrate-integrated multielectrode arrays." BRAIN RESEARCH. BRAIN RESEARCH PROTOCOLS. NETHERLANDS JUN 1998, Bd. 2, Nr. 4, Juni 1998 (1998-06), Seiten 229-242, XP002211651 ISSN: 1385-299X in der Anmeldung erw{hnt
DUPORT S ET AL: "A metallic multisite recording system designed for continuous long-term monitoring of electrophysiological activity in slice cultures." BIOSENSORS & BIOELECTRONICS. ENGLAND 30 APR 1999, Bd. 14, Nr. 4, 30. April 1999 (1999-04-30), Seiten 369-376, XP002211652 ISSN: 0956-5663
Attorney, Agent or Firm:
Otten, Hajo (Weller & Partner Postfach 105462 Stuttgart, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verwendung eines Elektrodenarrays, um in biologischem Ma terial eine durch Wirksubstanzen oder physikalische Ver fahren geförderte Regeneration zu untersuchen.
2. Verwendung nach Anspruch 1, bei der als Elektroden anordnung ein Mikroelektrodenarray eingesetzt wird.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Wirk substanzen ausgewählt sind aus der Gruppe : organische oder chemische Verbindungen sowie biologisch aktive Substanzen, wie beispielsweise Peptide, Proteine, Nukleinsäuren.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der Rege neration von interzellulären Verknüpfungen untersucht wird.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die funktionellen Verschaltungen oder Wiederverschaltungen zwischen Neutronen untersucht werden.
6. Verwendung nach Anspruch 4 oder 5, bei der ein zeitlicher Verlauf von entstehenden Verknüpfungen oder Wieder verschaltungen untersucht wird.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die Regeneration von bezüglich ihrer interzellulären Verknüp fung geschädigten Zellen untersucht wird.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der an Kulturen und Kokulturen die Regeneration wiederholt über einen längeren Zeitraum von vorzugsweise mehr als einer Woche beobachtet wird.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das biologische Material juvenile Zellen umfaßt.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das biologische Material Zellen im adultähnlichen Zustand um faßt.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der Re aktionen von Rezeptorsystemen auf Gabe der Wirkstoffe un tersucht werden.
12. Verfahren zur Untersuchung von Pharmakawirkungen auf das Regenerationspotential von funktionellen Verschaltungen in Kulturen, bei dem ein Elektrodenarray eingesetzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine Verwendung eines Elektrodenarrays wie in einem der Ansprüche 1 bis 11 er folgt.
Description:
Verwendung eines Elektrodenarrays Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit Systemen zur Un- tersuchung von Regeneration, Synaptogenese und synaptischer Stabilität in biologischem Material, wie beispielsweise Zellen.

Die Erfindung steht ferner im Zusammenhang mit Verletzungen des Zentralen Nervensystems (ZNS) erwachsener Säugetiere, die bei- spielsweise durch Trauma, Ischämie oder neurodegenerative Krankheiten verursacht werden. Diese Verletzungen resultieren in schwerwiegenden und dauerhaften funktionalen Defiziten, die einer kurativen Behandlung bedürfen. Es ist bereits bekannt, daß im Gegensatz zu dem sich entwik- kelnden ZNS oder zu peripheren Nerven ZNS-Axone zu einem be- stimmten Punkt in der Entwicklung ihre Fähigkeit verlieren, nach Axotomie zu regenerieren. Es wird vermutet, daß sich die- ser Verlust durch die nicht-permessive Umgebung des ZNS und durch für die adulten ZNS-Neuronen intrinsische Faktoren er- gibt.

Behandlungen, die zur neuralen Regeneration führen können, um- fassen die Gabe von Wirksubstanzen, wie beispielsweise Pharma- ka, oder die Anwendung von physikalischen Verfahren, wie bei- spielsweise eine Elektrostimulation.

Bisher ist kein zuverlässiges Verfahren bekannt, mit dem die Bewertung von derartigen Behandlungen, die zu neuronaler Rege- neration führen können, im Rahmen eines Modellsystemes ermög- licht wird, das Langzeitaufzeichnungen der physiologischen Ak- tivität mit morphologischen Veränderungen korreliert.

Li et al., Enthorinal Axons Project to Dentate Gyrus in Organo- typic Slice Co-culture, NEUROSCIENCE 1993, Band 52, Seiten 799- 813 beschreiben eine organotypische Kokultur von entorhinalem Cortex und postnatalem Hippocampus, der von seinem eigenen en- torhinalen Eingang freipräpariert worden ist. Die Autoren zei- gen in diesem in vitro-System auf immunhistochemische Weise die Bildung von entorhinalen Projektionen in den kokultivierten Hippocampus, wozu die Schnitte angefärbt und unter einem Mikro- skop ausgewertet wurden. Die Autoren zeigen auch einige wenige elektrophysiologische Daten, die mit einer Anregungselektrode aus Wolfram und einer Meßelektrode aus Glas gewonnen wurden. Als Modellsystem für Langzeitaufzeichnungen ist das hier be- schriebene Meßverfahren nicht geeignet.

Die Exklusivität der Verbindungen zwischen entorhinalem Cortex und Gyrus dentatus zeigen Li et al., Connectional Specification of Regenerating Entorhinal Projection Neuron Classes Cannot Be Overriden by Altered Target Availability in Postnatal Organo- typic Slice Co-culture, EXPERIMENTAL NEUROLOGY, 1996, Band 142, Seiten 151-160, auf der anatomischen Ebene.

Baker et al., Chronic Blockade of Glutamate-mediated Bio- electric Activity in Long-term Organotypic Neocortical Explants Differentially Effects Pyramidal/Non-pyramidal Dendritic Mor- phology, DEVELOPMENTAL BRAIN RESEARCH, 1997, Band 104, Seiten 31-39 zeigen Regeneration in einem anderen organotypischen Prä- parat, nämlich in Cortex-Cortex-Kokulturen. Auch hier wurden elektrophysiologische Daten unter Verwendung von Glas-Mikro- elektroden aufgenommen.

Nessler und Mass, Direct-current Electrical Stimulation of Ten- don Healing in vitro, CLINICAL ORTHOPAEDICS, 1987, Band 217, Seiten 303-312 berichten über die Möglichkeit, die Regeneration von Sehnen in vitro durch Gleichstrom zu stimulieren.

Darüber hinaus konnte Borgens, Electrically Mediated Regenera- tion and Guidance of Adult Mammalian Spinal Axons into Poly- meric Channels, NEUROSCIENCE, 1999, Band 91, Seiten 251-264 zeigen, daß ein extrazelluläres elektrisches Feld die Regenera- tion von Nervenfasern im adulten Säuger-Rückenmark fördert. Der insoweit beschriebene Stand der Technik zeigt also prinzi- pielle Modellsysteme, die für die Untersuchung der Regeneration in biologischem Material geeignet sind ; zuverlässige Langzeit- messungen der physiologischen Aktivität und deren Korrelation mit morphologischen Veränderungen lassen sich mit dem im Stand der Technik beschriebenen Meßverfahren jedoch nicht durchfüh- ren.

Die erst nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung ver- öffentlichte WO 00/79273 A2 beschreibt ein Verfahren, bei dem Hippocampus-Gewebe auf einem Mikroelektrodenarray angeordnet wird, über das das Nervengewebe stimuliert und die unterschied- liche Reaktion auf verschiedene Psychopharmaka gemessen wird.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, um Behandlun- gen, die zu neuraler Regeneration führen können, in einem Mo- dellsystem zu bewerten, das Langzeitaufzeichnungen der physio- logischen Aktivität mit morphologischen Veränderungen korre- liert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines Elektrodenarrays, um in biologischem Material eine durch Wirksubstanzen oder physikalische Verfahren geförderte Regene- ration zu untersuchen, wobei als Elektrodenanordnung vorzugs- weise eine Mikroelektrodenanordnung eingesetzt wird.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, daß sich in diesem Zusammenhang insbesondere organotypische Kulturen und Kokulturen von Gewebe des Zentralen Nervensystems dazu einset- zen lassen, die Entstehung und Regeneration von Verknüpfungen zwischen Zellen funktionell zu messen und die Wirkung von Phar- makagaben oder physikalischen Verfahren zur Aktivierung von Zellfunktionen zu untersuchen.

Unter Förderung der Regeneration wird im Rahmen dieser Anmel- dung sowohl die Bewirkung als auch die Unterstützung der Rege- neration verstanden.

Die Erfinder haben ferner erkannt und nachgewiesen, daß sich allgemein Elektrodenarrays, insbesondere Mikroelektrodenarrays, die z. B. beschrieben sind in Egert et al., A Novel Organotypic Long-term Culture of the Rat Hippocampus on Substrate Integra- ted Multielectrode Arrays, BRAIN RESEARCH PROTOCOLS, 1998, Band 2, Seiten 229-242, besonders gut für eine Langzeitmessung in derartigen Systemen eignen.

Durch Kombination organotypischer Kokulturen mit extrazellulä- rer Mikroelektrodenaufnahmetechnologie kann nämlich die Ent- wicklung neuer Verknüpfungen und ihre regenerative Fähigkeit auf einer funktionellen Ebene in derselben Kultur für Tage bis Wochen wiederholend überwacht werden.

Organotypische Kulturen stellen in diesem Zusammenhang eine gu- te Alternative zu Tierversuchen für die Bearbeitung von Frage- stellungen im Bereich der Regeneration dar. Das Kokulturmodell von Gyrus dentatus und entorhinalem Cortex bietet dabei eine günstige Ausgangsbasis. Aus der einleitend beschriebenen Lite- ratur ist zu entnehmen, daß dieses Kokulturmodell in der Lite- ratur gut morphologisch charakterisiert ist, wobei ferner die Analogie zur in vivo Situation nachgewiesen wurde. Elektro- physiologische Daten aus der Literatur sind jedoch kaum verfüg- bar, diese Daten können jetzt durch die erfindungsgemäße Ver- wendung des Mikroelektrodenarrays (im folgenden : MEA) bereitge- stellt werden. Dabei ist weiter von Vorteil, daß zwischen den beiden Geweben eine einfache, monosynaptische Verschaltung mit klar definiertem Ausgangs-und Endpunkt besteht.

Zwischen dem Gyrus dentatus und dem entorhinalen Cortex exi- stiert ein in der Literatur gut beschriebener perforant path- way, der durch diese monosynaptische Verschaltung teilweise dargestellt wird.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nun erstmals er- kannt, daß es unter Einsatz von Mikroelektrodenarrays möglich ist, die Generation eines zuvor experimentell unterbrochenen perforant pathways sowohl während der juvenilen Phase, wo Rege- neration auch im Zentralen Nervensystem noch relativ leicht möglich ist, als auch im ausdifferenzierten Zustand zu untersu- chen. Die Verwendung der MEA-Technologie in Verbindung mit der beispielhaft erwähnten organotypischen Kultur bietet dabei die Möglichkeit, elektrophysiologisch die Aktivität über die gesam- te Fläche eines Präparates über einen Zeitraum von Tagen und Wochen wiederholt zu bestimmen. Ebenso ist eine Elektrostimula- tion an reproduzierbar immer gleichen Stellen bei gleichzeiti- ger Ableitung in der gesamten restlichen Kokultur möglich, um eine Verbindung zwischen beiden Explantaten nachzuweisen.

Das erste Zusammenwachsen der Explantate geschieht dabei in der juvenilen Phase. Setzt man dann eine Läsion durch die neu ent- standene Verbindung, nachdem die Kokultur einen ausdifferen- zierten Zustand erreicht hat, so kann die Regeneration auch im adultähnlichen Zustand untersucht werden.

Bei einer derartigen Langzeitüberwachung von 17 abgeleiteten Kokulturen auf einem MEA mit Elektroden, die einen Abstand von 200 um und einen Durchmesser von 30 pm hatten, konnte gezeigt werden, daß zwölf dieser Kokulturen wieder zusammengewachsen waren. Sieben dieser zusammengewachsenen Kokulturen wurden lä- sioniert, wovon vier nach der Läsion noch vital waren.

Es konnte in einem Versuch gezeigt werden, daß bei Einsatz von FK506, einem Immunosuppressor, eine Kokultur den perforant pa- thway regenerierte.

Dies stellt nicht nur einen Test für das regenerative Potential der differenzierten Neuronen dar, vielmehr kann auch das rege- nerative Potential von Pharmaka und von physikalischen Verfah- ren zur Aktivierung von Zellfunktionen, z. B. durch funktionelle elektrische Stimulation, getestet werden. Dies kann beispiels- weise durch direkte elektrische Stimulation oder das Anlegen eines elektrischen oder elektromagnetischen Feldes erfolgen, was ebenfalls mit Hilfe eines MEA durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß werden die Pharmaka oder Wirksubstanzen dabei ausgewählt aus der Gruppe : organische oder chemische Verbindun- gen sowie biologisch aktive Substanzen, wie beispielsweise Pep- tide, Proteine, Nukleinsäuren, wobei das biologische Material sowohl juvenile Zellen als auch Zellen im adultähnlichen Zu- stand umfassen kann.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung kann jetzt die Regenera- tion von interzellulären Verknüpfungen, die funktionelle Ver- schaltung oder Wiederverschaltung zwischen Neuronen, ein zeit- licher Verlauf von entstehenden Verknüpfungen oder Wiederver- schaltungen sowie die Regeneration von bezüglich ihrer inter- zellulären Verknüpfungen geschädigten Zellen untersucht werden.

Erfindungsgemäß kann ferner an Kulturen und Kokulturen die Re- generation wiederholt über einen längeren Zeitraum von vorzugs- weise mehr als einer Woche beobachtet werden. Ferner ist es möglich, die Reaktionen von Rezeptorsystemen auf die Gabe von Wirkstoffen zu untersuchen.

Vor diesem Hintergrund betrifft die Anmeldung auch ein Verfah- ren zur Untersuchung von Pharmakawirkung auf das Regenerati- onspotential von funktionellen Verschaltungen in Kulturen, bei dem ein Elektrodenarray vorzugsweise wie oben beschrieben ver- wendet wird.

Dabei ist es zunächst notwendig, pharmakologisch zu überprüfen, welche Rezeptorsysteme in der Kokultur bspw. für die Verknüp- fung vom entorhinalen Cortex in den Gyrus dentatus wichtig sind. Dazu muß die Wirkung von Antagonisten der verschiedenen potentiell relevanten Rezeptoren auf die Aktivität in zusammen- gewachsenen Kokulturen getestet werden.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach- stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den folgenden Ausführungs- beispielen und im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der : Fig. 1 eine schematische Darstellung der in vivo Situation zwischen entorhinalem Cortex (ec) und Gyrus dentatus (dg) zeigt ; Fig. 2 die Präparation von Kokulturen auf einem Mikro- elektrodenarray zeigt ; Fig. 3 die elektrische Stimulation an Kokulturen wie in Fig. 2 zeigt ; Fig. 4 die Wiederherstellung von funktionalen Verbindungen in einer Kokultur wie in Fig. 2 zeigt ; und Fig. 5 die elektrische Stimulation elektrogener Zellen im Zellverband auf einem MEA zeigt.

Beispiel 1 : Messungen an einer Kokultur Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung der in vivo-Situation zwischen entorhinalem Cortex (ec) und Gyrus dentatus (dg). Mit pp ist ein Teil des perforant pathways gezeigt, der während der Präparation an der gestrichelt dargestellten Linie geschnitten wird. CA1 und CA3 bezeichnen Felder des Hippocampus.

Schnitte von entorhinalem Cortex und Gyrus dentatus, die 6 bis 7 Tage alten Wistar-Ratten oder BalbC-Mäusen entnommen wurden, wurden auf einem Mikroelektrodenarray von 60 substrat-inte- grierten Elektroden kultiviert. Die Elektroden hatten einen Ab- stand von 200 um und einen Durchmesser von 30 pm. Die Stimula- tion der Schnitte und die Aufzeichnung der elektrophysiologi- schen Aktivität wurde durch die Verwendung eines MCS-Verstär- kers und eines Daten-Akquisitionssystems (Multi Channel Sy- stems, Deutschland) erzielt, das die Verwendung jeden Kontakts als Stimulations-oder Aufzeichnungselektrode ohne Manipulation des Schnittes ermöglicht. Die Daten wurden online von allen 60 Kanälen bei einer Abtastfrequenz von 25 kHz/Kanal aufgezeich- net.

Fig. 2 zeigt eine derartige Präparation der Kokulturen, für die horizontale Gehirnschnitte (425 pm) verwendet wurden. Von den Gehirnschnitten wurden der entorhinale Cortex-Teil und der kor- respondierende Gyrus dentatus abgetrennt, die den Ursprung und das Zielgewebe eines Teils des preferant pathways repräsentie- ren. Die Schnitte, die während der Präparation gemacht wurden, sind in Fig. 2a gestrichelt dargestellt.

Die beiden Explantate wurden dann ähnlich der in vivo-Situation auf einem Mikroelektrodenarray mit einem 8x8-Feld von extra- zellulären Elektroden positioniert. Fig. 2b zeigt eine Kokultur unmittelbar nach Präparation.

Beginnend vom siebten Tag in vitro (DIV7), wurden alle drei Ta- ge sowohl die gesamte spontane Aktivität der Kokulturen als auch die Reaktion auf extrazelluläre elektrische Stimulation der Schicht II des entorhinalen Cortex und des Stratum granulo- sum des Gyrus dentatus überwacht.

Zusätzlich markierte Dil-Färbung (1, 1-Dioctadecyl-3, 3,3,3- Tetramethylindocarbocyanin perchlorat ; Honig and Hume, Fluores- cent Carbocyanine Dyes Allow Living Neurons of Identified Ori- gine to be Studied in Long-term Cultures, J. CELL. BIOL. 1986, Band 103, Seiten 171-187) des dg retrograd die Zellen in Schicht II des ec.

Fig. 3 zeigt die extrazelluläre Stimulation einer Kokultur von ec und dg, wobei Fig. 3a die Morphologie der Kokultur nach 7 Tagen in vitro (DIV7) angibt. Fig. 3b zeigt die Reaktion an al- len MEA-Elektroden nach elektrischer Stimulation in Schicht II- III des ec (80 pA, 150 ps).

Die funktionelle Wiederherstellung von Verbindungen in kokulti- vierten Explantaten von dg und ec juveniler Ratten oder Mäuse ist in Fig. 4 gezeigt. Nach 7 Tagen in vitro ist es möglich, Aktivität in dem dg über elektrische Stimulation in dem ec her- vorzurufen (Fig. 4a), nicht aber umgekehrt (Fig. 4b). Dies kor- respondiert mit der in vivo-Situation in der ec-Schicht II- Zellen in den dg projizieren.

Von 112 untersuchten Kulturen zeigten 85 diese einseitig ge- richtete Verbindung, 20 eine beidseitige Verbindung und 7 gar keine Verbindung.

Aus diesen Ergebnissen kann gefolgert werden, daß unabhängig vom Verlust des intermediären subikularen Gewebes die Axone des entorhinalen Cortex korrekte und funktionelle Verknüpfungen mit dem Gyrus dentatus ausbilden, die dem in vivo bekannten perfo- rant pathway ähnlich sind. Es ist unwahrscheinlich, daß die be- obachteten Verknüpfungen aus unspezifischem axonalem Sprießen entstammen, denn die dg-Axone zeigen ebenfalls extensiven Aus- wuchs aus dem Explantat, stellen aber keine funktionellen Ver- knüpfungen mit dem Cortex her.

Die so etablierte, verknüpfte Kokultur entwickelt sich jetzt in vitro zu einem adultähnlichen Stadium, woraufhin die neu herge- stellten Verbindungen dann lädiert werden.

An diesen Läsionen kann dann das regenerative Potential der differenzierten Neuronen sowie die Förderung, also Bewirkung oder Unterstützung der Regeneration durch Pharmaka oder physi- kalische Verfahren, getestet werden.

Beispiel 2 : Untersuchungen bei verschiedenen Stufen der Regeneration Neuritenwachstum : Neuroproduktive oder regenerationsfördernde Stoffe, die direkt auf die Ausgangszellen in Schicht II des ec wirken, können eine Regeneration des bereits einmal in vitro etablierten pathways ermöglichen, die im ausdifferenzierten Zustand normalerweise nicht möglich ist.

Hier besteht die experimentelle Möglichkeit, nach Läsion bei- spielsweise FK506 ins Kulturmedium zu applizieren. Dabei ist wichtig, daß die Kultur ein ausreichendes Alter erreicht hat, um entwicklungsbedingtes Wachsen der Neuriten auszuschließen.

Dies ist nach DIV7 oder alter der Fall.

Zielfindunq Die durch den Neuropilin I-Rezeptor vermittelte repulsive Wir- kung von Semaphorin III trägt mit hoher Wahrscheinlichkeit zur korrekten, zielgerichteten Verschaltung von dg und ec bei.

Experimentell besteht die Möglichkeit, mit membrangängigen Pep- tiden die fragliche Signalkaskade zu hemmen und die Semaphorin III-Wirkung zu unterbinden. Die Peptide werden direkt nach Prä- paration ins Kulturmedium gegeben, so daß eine Läsion nicht er- forderlich ist.

Svnaptocjenese Es hat sich ergeben, daß für die korrekte Anordnung der Rezep- toren und anderen Membranproteine in der Synapse die Interakti- on mit intrazellulären Proteinen essentiell ist. Viele dieser intrazellulären Proteine teilen ein gemeinsames Motiv, die so- genannte PDZ-Bindungsstelle, mit der sie an die Membranproteine binden. Die funktionelle Relevanz dieser Interaktionen ist noch weitgehend unbekannt, sie läßt sich jedoch mit dem hier be- schriebenen Meßverfahren untersuchen.

Auch hier läßt sich die Interaktion der Rezeptoren mit den PDZ- Proteinen durch membrangängige PDZ-Antagonisten hemmen, was während des Zusammenwachsens oder danach erfolgen kann. Dies bietet die Möglichkeit, an einem Schnitt die Situation vorher/ nachher zu vergleichen (interne Kontrolle).

Beispiel 3 : Immunhistochemische und elektrophysiologische Untersuchung Organotypische kortikale Kokulturen (350-425 Hm dick, vom Neo- cortex) wurden von drei bis sieben Tage alten Wistar-Ratten je- den Geschlechts präpariert und in vitro unter Verwendung der Roller-Tube-Technik aufrechterhalten ; siehe hierzu Gähwiler, Organotypic Monolayer Cultures of Nervous Tissue, J. NEURO- SCIENCE METHODS, 1981, Band 4, Seiten 329-342. Die Kokulturen wurden für bis zu 35 Tage entweder auf Glasdeckgläschen oder auf Mikroelektrodenarrays in Medium wachsen gelassen, das 50 % basisches Eagle-Medium, 25 % Hanks-gepufferte Salzlösung, 25 % Pferdeserum, 33 mM D-Glukose und 1 mM L-Glutamin enthielt. Das Medium wurde zweimal die Woche ausgetauscht, die Kokultur- Explantate mit variierten Orientierungen und variierten Abstän- den (0 bis 500 pm) zueinander plaziert.

Die auf Glasdeckgläschen kultivierten Explantate wurden in ge- puffertem 4% igem Paraformaldehyd für zwei Stunden fixiert, ge- waschen, in gepuffertem 0, 1% igem Triton X-100 behandelt, wieder gewaschen und in 1% igem bovinem Serumalbumin (BSA) und 0,1% igem Ziegenserum präinkubiert, um nicht-spezifische Bindung zu ver- hindern.

Die Kulturen wurden für 3 bis 9 Tage mit primärem Antikörper in 1% iger gepufferter BSA-Lösung inkubiert. Nach vier-bis fünf- tägigem Waschen in Puffer wurden die Kulturen mit einem sekun- dären Antikörper (Ziegen-Anti-Maus IgG, CY3) für drei bis fünf Tage inkubiert und hinterher für vier bis fünf Tage gewaschen.

Die Explantate wurden auf Objektträger gebracht, auf Fluores- zenz betrachtet und fotografiert. Die Kontrollen bestanden aus Explantaten, die nur mit dem sekundären Antikörper inkubiert wurden. Primäre Antiseren (Boehringer, Mannheim) waren monoklo- nale Antikörper, die zu Arbeitslösungen von 0,5 pg/m und 1 pg/ml für Anti-GAP-43 bzw. Synaptophysin verdünnt wurden.

Nissl-Färbungen wurden verwendet, um die Morphologie der Ex- plantate zu beurteilen. Die Kokulturen wurden fixiert, de- hydriert, in Toluidin-Blau gefärbt, auf Objektträger gebracht und fotografiert.

Die auf Mikroelektroden-Arrays kultivierten Explantate wurden zu verschiedenen Zeitpunkten bezüglich spontaner elektrischer Aktivität aufgezeichnet, frühestens nach 4 DIV (Tage in vitro) bis spätestens 35 DIV in normalem Kulturmedium bei einer Tempe- ratur von 35°C. Unter Verwendung eines Multikanal-Aufzeich- nungssystemes konnten die 60 Mikroelektroden simultan aufge- zeichnet werden, wodurch es möglich wurde, in den Kokulturen korrelierte Aktivität zu testen. Dabei zeigte sich die Wieder- herstellung funktioneller Verknüpfungen zwischen den Explanta- ten. Die Elektroden hatten Impedanzen von 100 bis 300 kQ (bei 1 kHz), einen Abstand von 500 um und einen Durchmesser von 10 um. Die Aktivität wurde bei 10 bis 25 kHz pro Kanal aufge- zeichnet, gespeichert und offline bezüglich Latenz analysiert.

Während die Explantate mit Karbogen-äquilibriertem ACF, beste- hend aus (jeweils in ml/1) 125 NaCl, 3,5 KC1, 1,3 MgSO4, 1,2 KH2PO4, 2,4 CaCl2, 26 NaHCO3, 10 Glukose (pH 7,4), bei einer Durchflußrate von ungefähr 0,5 ml/min perfundiert wurden, wurde die Neuronensensitivität auf verschiedene Kanalblocker und Re- zeptor-Agonisten und-Antagonisten getestet. Die Explantate wurden nach den pharmakologischen Experimenten verworfen.

Fig. 5 zeigt eine elektrische Stimulation elektrogener Zellen im Zellverband auf einem Mikroelektrodenarray, wie es bei den hier beschriebenen Versuchen eingesetzt wurde. Fig. 5a zeigt einfache Antworten in einer organotypischen Hippocampuskultur nach 17 Tagen in vitro bei monopolarer elektrischer Stimulation über die mit einem Stern gekennzeichnete MEA-Elektrode. Stimu- lationsartefakte sind nicht gezeigt.

Fig. 5b zeigt eine Langzeitstimulation über mehr als eine Stun- de, bei der auf den verschiedenen Elektroden gleichmäßige Ant- worten erhalten wurden. Jede Säule zeigt die Amplitude der Reizantwort auf Stimuli, die alle 60 Sekunden bei der mit Stern gezeigten Elektrode appliziert wurde.

Beispiel 4 : Testen von FK506 FK506-ein Immunosuppressor-, für den gezeigt wurde, daß er neuroprotektive und neuroregenerative Effekte im zentralen und peripheren Nervensystem hat (Brecht und Herdegen, 1999, Der neue'Dreh' : Hemmung von FKBP-Rotamasen als neuroregeneratives und neuroprotektives Prinzip, Neuroforum 5 : 36-43), wurde zum Kulturmedium bei 0 DIV in einer Konzentration von 50 nM zugege- ben und mit jedem Austausch des Kulturmediums bis 14 DIV wieder verabreicht. Die Kokulturen wurden auf korrelierte Aktivität getestet, und der prozentuale Anteil der Explantate, der inner- halb einer gesamten Gruppe der behandelten Explantate Korrela- tion zeigte, wurde mit Kontrolläufen verglichen, bei denen kein Explantat mit dem Wirkstoff behandelt wurde.

In der unbehandelten Kontrolle (n = 28) zeigten sich nach 14 Tagen in vitro bei ca. 60 % eine korrelierte Aktivität, während sich bei den mit FK506 behandelten Explantaten (n = 18) eine korrelierte Aktivität von nahezu 90 % nachweisen ließ. Unter "korrelierter Aktivität"wird in diesem Zusammenhang die Rege- neration von funktionellen Verbindungen zwischen den Schnitten verstanden.