| Neurologische Störungen oder Verletzungen nach Trauma induzierenden Unfällen können oft die natürliche Fähigkeit von Neuronen zerstören Informationen zu verarbeiten oder weiterzuleiten. Die nicht natürliche Verknüpfung zwischen Technologie und Lebewesen kann diese Defizite behandeln und überwachen oder auch die ursprüngliche Funktion wiederherstellen. Alle bioelektronischen Geräte müssen sich zwei Hauptherausforderungen stellen: Die Biokompatibilität zu lebendem Gewebe und die Stromversorgung des Gerätes selbst. In dieser Arbeit stelle ich zwei neue Ansätze vor, die auf lichtempfindlichen organischen Pigmenten basieren, die keine kabelgebundene Energieversorgung oder genetische Modifikation erfordern, um Zellen zu stimulieren oder zu steuern und die sicher in Bezug auf die Verwendung mit lebenden Zellen sind.
Im Rahmen dieser Arbeit habe ich die Wechselwirkung von neuronalen Zellmembranen mit kolloidalen Makrokristallen aus Epindolidione-Pigmenten untersucht, die eine 3D Mikrostruktur auf ihrer Oberfläche aufweisen. Neuronen zeigten, dass sie ausgedehnte Netzwerke entwickeln und stabile Interaktionen mit diesen Strukturen erzeugen. Es wurde auch festgestellt, dass Neuriten in Richtung der organischen Pigmente wuchsen und adhärierten, oder während des Zellwachstums diese Verbindungen umbauten. Die photothermokapazitive Stimulation dieses Komplexes aus Neuronen und Pigmenten depolarisierte mit Hilfe eines Lasers die Zellmembran. Jedoch waren die Pigmentkristalle nicht in der Lage Aktionspotentiale zu induzieren.
Weiterhin wurden in dieser Arbeit neuartige Halbleiter getestet, die auf organischen Pigmenten basieren und in einer Elektrolytlösung wie ein Kondensator zur lichtgesteuerten und photokapazitiven Stimulierung von Säugetierzellen funktionieren. Diese können mit sichtbarem rotem Licht angeregt werden, welches in der Lage ist durch die Haut ins Gewebe einzudringen. Diese so genannten OEPCs (Organic Electrolytic Photocapacitors) bestehen aus flachen Schichten von halbleitenden Pigmenten. Dafür wurden N,N’-Dimethylperylentetracarbonsäurediimid (PTCDI) und metallfreies Phthalocyanin (H2Pc) verwendet. Humane embryonale Nierenzellen (HEK) wurden mit dem spannungsgesteuerten Kaliumkanal Kv1.3 transfiziert. Elektrophysiologische Messungen zeigten eine zeitabhängige Ionenkanalaktivierung und eine Verschiebung der Kanalleitfähigkeit von etwa 30 mV, wenn die sich auf OEPCs befindlichen Zellen stimuliert wurden. Neuronen, die mit Lichtpulsen im Millisekunden Bereich stimuliert wurden, zeigten, dass wiederholt zuverlässig Aktionspotentiale erzeugt werden konnten, und zwar mit einzelnen oder mit einer Serie von Lichtpulsen.
Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass diese bioelektronische Anwendung, die auf organischen Pigmenten basiert, für weitere in vitro Anwendungen sicher sind und dass man ohne genetische Veränderungen neuronalen Signale durch Licht erzeugen kann. Diese Ergebnisse bilden auch die Grundlage um in der Zukunft lichtgesteuert in vivo Anwendungen zu entwickeln, die mit hoher Präzision arbeiten.
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