ISSCC 2018 Sensorarray mit 16384 Elektroden und 1024 Kanälen

Ein Sensor-Array für elektrophysiologische Untersuchungen, das sich nicht nur durch einen hohen Durchsatz auszeichnet, sondern auch unterschiedliche Messmethoden unterstützt.
Ein Sensor-Array für elektrophysiologische Untersuchungen, das sich nicht nur durch einen hohen Durchsatz auszeichnet, sondern auch unterschiedliche Messmethoden unterstützt.

Das Imec hat ein Mikroelektroden-Array (MEA) präsentiert, das dank der Skalierungsmöglichkeiten, die die CMOS-Technik bietet, die elektrophysiologische Untersuchung von Zellen deutlich beschleunigen kann und mehrere verschiedene Messvorgänge unterstützt.

Die Patch-Clamp-Methode ist derzeit der häufigste Ansatz, um elektrophysiologische Untersuchungen von Zellen in der vorklinischen Wirkstoffsuche durchzuführen. Diese Methode ist aber sehr zeitaufwendig, weshalb bereits passive (ohne Halbleitertechnik) und aktive MEAs entwickelt wurden, mit denen sich zumindest der Durchsatz in extrazellulären (ExC) in-vitro-Messungen erhöhen lässt. Doch die meisten dieser MEAs eignen sich nicht dazu, auch die wesentlichen Merkmale der intrazellulären Aktionspotenziale (intrazellulär: InC, Aktionspotenziale: AP) zu erfassen, was aber beispielsweise für die Untersuchung der Toxizität von Arzneimitteln wichtig ist. Bereits in früheren Entwicklungen konnte gezeigt werden, dass InC-Messungen durch eine stark lokalisierte Elektroporation (damit werden Zellmembranen vorübergehend permeabel gemacht) möglich werden, so dass über eine Impedanzmessung die InC-Spannung erfasst werden kann. Problematisch bei den bisherigen Ansätzen ist aber, dass es keine Plattform gibt, die diese InC-Messungen mit einem hohen Durchsatz durchführen können. Es gibt mittlerweile auch Designs, die eine Impedanzspektroskopie (IS) ermöglichen, aber auch hier ist die Geschwindigkeit ein Problem, denn sie sind beispielsweise nicht schnell genug, um kontraktile Aktivitäten von Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen) im Detail zu erfassen. Nachdem einige Medikamente diese Aktivitäten hemmen können, ohne die APs zu beeinflussen, sind ExC/InC –Messverfahren und Impedanzmessung komplementär und müssen miteinander durchgeführt werden.

Und genau das ermöglicht das CMOS-MEA vom Imec. Es verfügt über 16384 Elektroden (alle mit einem Vorverstärker ausgestattet), 1024 Auslesekanäle, Schaltungen für die Signalverarbeitung, Filterung und A/D-Wandlung und ermöglicht multimodale, elektrophysiologische Untersuchungen von Zellen. Die Plattform unterstützt folgende Modalitäten:

  • ExC-Messungen
  • InC-Messungen
  • Stimulation mit Konstantspannung (CVS)
  • Stimulation mit Konstantstrom
  • Schnelle Impedanzüberwachung (IM) mit einer festen Frequenz
  • Impedanzspektroskopie in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 MHz.

Carolina Mora Lopez, Researcher Body Area Networks beim Imec, erklärt, dass dank der Möglichkeit zu Multiwell-Assays auf einem einzigen Chip, die sechs Modalitäten unabhängig und gleichzeitig in 16 verschiedenen Zellproben genutzt werden können. Abschließend: »Diese multimodale MEA mit hohem Durchsatz eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten für ein zellbasiertes pharmakologisches Screening, aber auch für grundlegende Zelluntersuchungen, die die Möglichkeiten bestehender Technologien übertreffen.«