| dc.description.abstract | På tross av sin vanvittige kompleksitet er nervesystemet en del av menneskets anatomi
som er spesielt sårbar. Nevrodegenerative sykdommer som Alzheimers og Parkinsons
forårsaker omfattende og uopprettelig skade hos de som blir rammet, og ut
over de emosjonelle kostnadene for individ og familier pålegger det også samfunnet
store økonomiske kostnader. Nye sykdomsmodellsystemer trengs sårt i utviklingen av
bedre behandling og mer effektiv diagnostisering av nevrodegenerative sykdommer.
De siste årene har fremskritt innen mikrofabrikasjon og stamcelle-teknologier gitt
grobunn for kraftige in vitro-modellsystemer av det menneskelige nervesystemet og
dets patologier. Ved å dyrke nevroner i mikrofluidiske kammer spedd med mikroelektroder
kan vekst av nevrale nettverk utføres innenfor kontrollerte rammer, mens
målt nettverksaktivitet gir indikasjon på nettverkets tilstand av funksjon eller dysfunksjon.
Avgjørende for den kliniske relevansen til slike modellsystemer er deres evne til
å gjenskape nervesystemets småverksnettverksarkitektur – arkitektur som muliggjør
komplekse tanker, men også rask spredning av sykdom. Tradisjonelt har in vitro nevrale
nettverks-systemer vært basert på plane substrater, og neglisjert den viktige rollen
hjernens fysiske mikro- og nanoskala-miljø spiller i å lede nettverksorganisasjon.
Resultatet har vært nettverksarkitektur som har fraveket de viktige småverdensprinsippene
i nervesystemet.
I et forsøk på å forbedre nettverksarkitektur, og derav klinisk relevans, satt dette
prosjektet som mål å utvikle en ny in vitro nevral nettverksplattform med nanotopografier
som etterligner hjernens nanoskala fysiske miljø. En plasmaetsingsbasert
ruprosess for nanotopografisk strukturering av SU-8-resist ble etablert, og viste utmerket
evne til å oppnå en rekke forskjellige nanotopografier ved modifisering av etseparametre.
Nanotopografisk SU-8 ble videre vist å kunne erstatte det tidligere brukte plane
Si3N4-basesubstratet på nevrale nettverksplattformer. Her ble det vist å være kompatibelt
med binding av mikrofluidstrukturer, og som isolasjon for elektrodeponering av
platinum sort-elektroder og under målinger av nevral nettverksaktivitet. Et avgjørende
funn var at nanotopografier kan fremme klynging av nevroner og aksonfascikulasjon,
samt lavere grad av global synkronisering i nettverksaktivitet - karakteristiske strukturelle
og funksjonelle trekk for småverdensnettverk. Samtidig som det er behov for
ytterligere optimalisering og eksperimenter med større utvalgstørrelser før endelige
konklusjoner kan trekkes, viste den utviklede nanotopografiske plattformen således
potensiale for å forbedre kliniske relevans av in vitro nevrale sykdomsmodellsystem. | |
| dc.description.abstract | Despite its incredible complexity, the nervous system is a part of the human anatomy
that is particularly vulnerable. Neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s and
Parkinson’s disease wreak havoc on this vulnerable system, causing irreparable and extensive
damage to the ones affected, and casting heavy economical burdens on society.
In pursuit of greater insight into detection and treatment of such neurodegenerative
diseases in early onset, novel disease model systems are in dire need.
In recent years, advancements within microfabrication and stem cell technologies
have given rise to powerful in vitro model systems of the human nervous system and
its pathologies. By culturing neurons in microfluidic compartments embedded with
microelectrode arrays, growth of neural networks can be carried out in controlled environments
and network activity recorded and analysed to determine state of function
or dysfunction. Critical to the clinical relevance of such model systems is their ability
to recapitulate the small-world network architecture of the nervous system – an
architecture enabling complex thought but also rapid disease spread. Traditional in
vitro neural network systems have been based on planar substrates, neglecting the
important role of the physical micro- and nanoscale environment of the brain in guiding
network organization. Consequently, grown networks have exhibited architecture
diverging from the important small-world principles of the nervous system.
In an effort to improve network architecture and, by extension, clinical relevance,
this project set out to develop a novel in vitro neural network recording platform with
nanotopographies mimicking the physical environment of the brain at the nanoscale.
A plasma etch based roughening process for nanotopographical structuring of SU-8
resist was established, demonstrating excellent flexibility in achieving a range of nanotopographies
by tuning of etching parameters. Nanotopographical SU-8 was further
demonstrated to be a viable direct replacement for the previously used planar Si3N4
base substrate on neural network recording platforms. Herein, it was proved compatible
with bonding of microfluidic structures, and as insulation for electrodeposition
of platinum black electrodes and during neural network recording. Crucially, nanotopographies
were found to promote clustering of neurons and axon fasciculation, as
well as lower synchrony in global network activity – characteristic structural and functional
features of small-world networks. While further optimization and investigation
with larger sample sizes are needed before definitive conclusions can be drawn, the developed
nanotopographical platform have, in conclusion, shown promise in improving
clinical potential of in vitro neural disease model systems. | |
