Die Aktivität neuronaler Netze kann durch Feldeffekttransistoren mit hoher Auflösung nicht invasiv verfolgt werden. Bis jetzt war die Messung mit Feldeffekttransistoren auf elektrische Signale der Zellen beschränkt. Ein weiterer wichtiger Bereich der neuronalen Informationsverarbeitung, der chemisch an speziellen Stellen, den Synapsen, durch das Ausschütten von Vesikeln stattfindet, wurde mit Feldeffekttransistoren bislang nicht untersucht. Diese Arbeit zeigt, daß es möglich ist, die Ausschüttung von Vesikeln einer Zelle mit dem Feldeffekttransistor zu messen. Neuroendocrine Zellen aus der Rindernebenniere, die ein etabliertes Modellsystem für die synaptische Übertragung sind, werden auf der Oberfläche eines linearen Arrays von Feldeffekttransistoren kultiviert. Unter Stimulation der Zellen mißt der Transistor Signale, welche mit der Referenzmethode zum Detektieren der Vesikel, der Amperometrie, verglichen werden. Dieser Vergleich zeigt, daß der Transistor die Exozytose einzelner Vesikel mißt und daß fast alle ausgeschütteten Vesikel vom Transistor detektiert werden. Im Gegensatz zu den Signalen der Amperometrie besitzen die Signale der Transistoren eine starke Abhängigkeit von der extrazellulären Pufferkonzentration; ein Indiz, daß die Transistorsignale auf der Ausschüttung von Protonen durch die Vesikel beruhen. Dieses wird durch das Zerstören der granularen pH-Gradienten mit der Pore Nigericin sowie den Carrier Valinomycin bestätigt. Während die amperometrischen Messungen von diesen Substanzen unbeeinflußt bleiben, erlöschen die Signale im Transistor nach ihrem Wirken fast gänzlich. Mittels Transistoren der Gategröße von 2x2 m2 und eines Abstandes von 4,6 m in einer linearen Anordnung ist es möglich, mit mehreren Transistoren die Exozytose unterhalb einer Zelle zu messen. So kann eine räumliche Karte der Ausschüttung, die physiologisch an bestimmte Stellen in der Zelle gekoppelt ist, erstellt werden. Ein Modell der Transistorsignale berücksichtigt die Freisetzung von Protonen in den engen Spalt zwischen Zelle und Transistoroberfläche, ihre Diffusion entlang des Spaltes und ihre Reaktion mit den durch den Transistor bereitgestellten dissoziierten Oberflächengruppen. Ein Vergleich des Modells mit dem Experiment zeigt, daß die Transistorsignale nur in dem Kontext der Komplexität der Vesikelfusion und des Zerfalls der granularen Matrix erklärt werden können. Da eine Vielzahl an Vesikeln eine erhöhte Protonenkonzentration besitzt, ist in dieser Arbeit nicht nur eine neue fundamentale Kopplung einer Zelle an einen Feldeffekttransistor und damit ein neuartiges hybrides System experimentell und theoretisch erstellt, sondern es wird auch eine neue Methode zum Detektieren der Vesikelausschüttung begründet.
Translated abstract:
The activity of neuronal nets can be resolved non invasive and at a high spatial resolution by field effect transistors. Up to now measurements were restricted to electric signals of cells. Another important way of information processing takes place at special sites, the synapses, where vesicles fuse with the cell membrane and extrude their content. This way of information flow has not been examined with field-effect transistors so far. Here we show that it is possible to detect the release of vesicles by field-effect transistors. Neuroendocrine cells from the bovine adrenal medulla are an established model system for the synaptic transmission. We culture these cells on linear arrays of field-effect transistors. Under stimulation of the cells the transistors detect sharp signals. We compare these data with the reference method amperometry and conclude that the transistors measure the release of individual vesicles at a high resolution. Contrary to the amperometric signals the transistor signals exhibit a dependence of the extracellular buffer concentration, a first evidence, that the transistor signals are based on the release of protons by the vesicles. This is validated by the destruction of the vesicular pH gradients through the pore nigericin and the carrier valinomycin. While the amperometric measurement remains unaffected, there is a massive reduction of transistor signals after the application of these substances. Arrays of transistors with a gate size of 2x2 m2 and a pitch of 4.6 m make it possible to record the release of vesicles beneath a single cell with several transistors simultaneously. Thus a map of the release sites of a cell can be generated. A model of the transistor signals includes the release of the protons within the narrow cleft between the cell and the transistor surface, the proton diffusion along this cleft and the binding of the protons to the surface groups provided by the transistor. A comparison of this model to the experiment makes clear that the transistor signals can only be understood in the context of the complexity of the vesicle fusion and the dissociation of the granular matrix. Since many more vesicles than only those of chromaffin cells are acidic, we could establish a novel method of vesicle release detection and described a fundamental coupling of a cell to a computer chip. Since many more vesicles than only those of chromaffin cells are acidic, besides a fundamental coupling of a cell to a computer chip we succeeded in establishing a novel method of vesicle release detection.
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