| dc.description.abstract | Nanotopografiske vekstflater har de siste årene blitt anvendt som en lovende strategi for å øke topologisk kompleksitet av biologiske nevrale nettverk dyrket på in vitro forskningsplattformer. Slike plattformer kan brukes til mer realistiske studier av nevrale nettverk, både i fungerende og syke hjerner, og kan hjelpe å utvikle strategier for å forbedre den terapeutiske effekten ved behandling av hjernesykdom. Imidlertid er lite kjent om effekten av nanotopografi på cellelevedyktighet, morfologi og nevrale nettverksfunk- sjoner. I dette arbeidet ble effekten av nanostrukturerte SU-8 vekstflater på nevronale celler og nevrale nettverksfunksjoner undersøkt. Den under- liggende hypotesen var at nanostrukturert SU-8 ville virke som et kvasi- biomimetisk nanomiljø, som etterligner strukturer som er viktige for nevral celleatferd in vivo. Dette var så tenkt at ville fremme mer relevant celleat- ferd enn i tradisjonelle flate in vitro-modeller.
En rekke overflater med varierende overflateruhet, fra 0-150 nm, ble dyrket med nevrale celler for å undersøke optimal nanotopografi med hen- syn til cellelevedyktighet. For å undersøke nevroncellenes og de nevrale nettverkenes adferd, ble det gjort analyse ved bruk av fasekontrastmik- roskop, immuncytokjemi (ICC), skanningelektronmikroskopi (SEM) og en i siliko-modell, på overflater med grovhet fra 0-6.8 nm.
Resultatene viste at det er en øvre grense for ruhet, med hensyn til cel- leviabilitet, på Sa = 6.8 nm. For Sa under 6.8 nm var cellelevedyktigheten ikke påvirket i betydelig grad sammenlignet med flate kontroller. Det ble videre funnet at nanostrukturerte SU-8 vekstflater kan fremme mer tredi- mensjonale soma-morfologier, funnet ved formanalyse fra SEM-bilder, ant- att å være på grunn av en økning i potensielle adhesjonssteder for cellen. Den totale nevrittarealet per nevron ble funnet til å være korrelert pos- itivt med økt overflateruhet, fra 0-6,8 nm, analysert av ICC. Dette over- satte seg imidlertid ikke til endringer i nettverkstopologi, målt ved en in silico nettverkssimuleringsmodell. Dette ble antatt å skyldes at overflatene (Sa = 1.3-6.8 nm) ikke ga tilstrekkelig overflateruhet til å fremme vesent- lige endringer i nevral migrasjonsdynamikk. Til slutt ble SU-8 nanotopo- grafi implementert i en mikrofluidbrikke med to kammer, kombinert med mikroelektroder, og det ble gjennomført ekstracellulær opptak av nevrale nettverk. Fra dette ble det funnet at nanostrukturerte SU-8 vekstflater med Sa = 4.7 nm kan forbedre nettverkseffektiviteten. Dette var begrunnet av funnet at nanostrukturerte overflater induserte mer lokaliserte nettverk-bursts i de elektrofysiologiske opptakene.
Dette arbeidet indikerer at nanostrukturert SU-8 kan gi en levedyktig vekstflate, og har kapasitet til å påvirke nevronal atferd på flere skalaer. Den nyskapende kombinasjonen av å implementere nanostrukturert SU-8 vekstflater i mikrofluidplattformer, integrert med mikroelektroder, gir mu- lighet for kontinuerlig overvåking av kulturene med vanlig lysmikroskopi, kombinert med muligheten for avanserte elektrofysiologiske opptak. Ytter- ligere arbeid gjenstår for å utnytte mulighetene til forskningsplatformen brukt i dette arbeidet fullt ut. Anbefalinger for videre arbeid ble gitt på slutten av oppgaven. | |
| dc.description.abstract | Nanotopographical growth surfaces have in recent years emerged as a promising strategy to increase topological complexity of biological neural networks cultured on in vitro research platforms. Such platforms can be used for more realistic study of neural network communication and com- putation, and can aid the development of strategies to improve the thera- peutic efficacy in treating central nervous system (CNS) disease and injury. However, little is currently known about the effects of nanotopography on cell viability, morphology, and neural network features. In this work, the effect of nanostructured SU-8 growth surfaces on neuronal cells and neural network features was investigated. A nanostructured SU-8 growth surface was hypothesised to provide a quasi-biomimetic nanoenvironment, and thus promote more relevant behaviours than in traditional planar sur- face in vitro models.
An array of surfaces with varying surface roughness, from 0-150 nm, were cultured with neuronal cells, in order to screen for the optimal nan- otopography with regards to cell viability. To investigate the neuron and neural network behaviour, analysis were conducted employing phase con- trast microscope, immunocytochemistry (ICC), scanning electron micro- scopy (SEM) and a neural network in silico model, on surfaces with rough- ness from 0-6.8 nm.
It was found that there was an upper limit to roughness, with regards to cell viability, of Sa = 6.8 nm. For Sa below 6.8 nm, cell viability was insignificantly different compared to planar controls. It was furthermore found that nanostructured SU-8 growth surfaces may promote more trid- mensional soma morphologies, as observed from shape analysis from SEM images, thought to be due to an increase in potential adhesion sites for the cell. The total neurite area per neuron was found to be positively correl- ated with increased surface roughness, from 0-6.8 nm, analysed by ICC. This was speculated to be due to nanoscale features providing stronger anchorage points for filopodia, affecting growth cone dynamics. However, this did not translate into changes in network topology, as measured by an in silico network simulation model. This was thought to be due to surfaces with Sa = 1.3-6.8 nm not providing sufficient surface roughness to pro- mote substantial changes in neural migration dynamics. Ultimately, SU-8 nanotopography was implemented into a dual chamber microfluidic chip, coupled with microelectrode arrays, and extracellular recording of a cell culture was conducted. From this, it was found that nanostructured SU-8 growth surfaces may enhance network communication efficiency, detec- ted as more localized network bursts in electrophysiological recordings. This was speculated to be due to the differential behaviours found in cell morphology and neurite outgrowth, acting together to contribute to the increased communication network efficiency, more pertinent to network dynamics seen in the brain.
This research indicates that nanostructured SU-8 provides a viable growth surface, and has the capacity to influence neuron behaviour on several scales. The novelty of implementing nanostructured SU-8 growth in mi- crofluidic platforms, integrated with microelectrode arrays, allows for con- tinual monitoring of the cultures with common light microscopy, com- bined with the possibility of advanced electrophysiology recordings. Fur- ther work still remains to be done in order to fully utilize the opportunities of the current platform, and further directions have been proposed | |
