WO2015188911A1 - Electrophysiological measuring arrangement and electrophysiological measuring method - Google Patents

Electrophysiological measuring arrangement and electrophysiological measuring method Download PDF

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WO2015188911A1
WO2015188911A1 PCT/EP2015/000979 EP2015000979W WO2015188911A1 WO 2015188911 A1 WO2015188911 A1 WO 2015188911A1 EP 2015000979 W EP2015000979 W EP 2015000979W WO 2015188911 A1 WO2015188911 A1 WO 2015188911A1
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WO
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Prior art keywords
carrier
aperture
region
electrophysiological
measuring
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/000979
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German (de)
French (fr)
Inventor
Philipp Julian KÖSTER
Oliver Klink
Carsten Tautorat
Uwe Scheffler
Thomas Kröger
Denise Franz
Original Assignee
Universität Rostock
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/487Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48728Investigating individual cells, e.g. by patch clamp, voltage clamp

Definitions

  • the present invention relates to an electrophysiological measuring arrangement as well as to an electrophysiological measuring method using the electrophysiological measuring arrangement according to the invention.
  • electrical currents and / or electrical voltages are impressed and / or measured between a measuring electrode and a counterelectrode, which are arranged between the biological object.
  • the measured currents and / or voltages should provide information about the underlying physiological processes, in particular transport processes, conformational changes and the like.
  • comparatively very low signal strengths are present.
  • high sealing resistances that is to say the lowest possible residual electrical conductivities, are necessary over the membrane itself or in the contact or contact region between the membrane of the biological object to be examined and the aperture wall.
  • the task arises to investigate single cells or an ensemble of cells in a cell assembly or even to feed the cell assembly as a whole to a measuring method, e.g. To capture interactions between directly or indirectly neighboring cells.
  • the difficulty is that the metrological devices must be based on the random geometry of the then found cell ensemble. This often represents a considerable effort and may also involve difficulties in reproducibility of different measurements in relation to each other.
  • a corresponding cell ensemble were provided in a well-defined and predictable manner, possibly also with a predictable design, or else a randomly arranged cell ensemble or e.g. a section of an organ or tissue could be reliably attached to a wearer and subjected to an electrophysiological measurement process.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrophysiological measuring arrangement and a corresponding measuring method using the electrophysiological measuring arrangement in which measuring devices and biological objects to be examined are set in a predictable and controlled manner with particular reliability and reproducibility in relation to each other can be aligned.
  • the object underlying the invention is achieved in an electrophysiological measuring arrangement according to the invention with the features of independent patent claim 1. Furthermore, the object underlying the invention in an electrophysiological measurement method according to the invention with the features of independent claim 10 is achieved.
  • Advantageous developments are described in the dependent claims.
  • the subject of the present invention is therefore an electrophysiological measuring arrangement which has a first carrier and a second carrier.
  • the first carrier is formed with an aperture region, which is formed in the region of the first carrier for the controlled sealing attachment of a biological object or a plurality of biological objects and has a corresponding structure and which is formed with at least one aperture or opening and with a wall portion which surrounds the aperture or opening.
  • the second carrier is formed at least on a side associated with the first carrier for adherent attachment and / or cultivation of biological objects to be examined. It can also be it can be seen that cuts of tissues or organs are applied or formed on the wearer to form the biological objects to be examined in this way.
  • the measuring arrangement is embodied such that the first carrier and the second carrier can be controlled and, with the side of the second carrier associated with the first carrier, approach the first carrier and the aperture region of the first carrier substantially facing one another.
  • the task of the first carrier is therefore to provide at least one aperture, e.g. in the sense of a measuring opening or measuring capillary, which then serve for the sealing or "sealing" attachment and thus for the formation of a so-called gigaseal.
  • the second support serves to provide an adhesion region or cultivation region, e.g. in the manner of a culture medium on which one or preferably several cells or other biological objects arrange, train or even cultivate.
  • the second carrier is initially in a culture medium and there is overgrown after appropriate inoculation with a lawn to be examined biological objects, in which case the area, which is later assigned and approximated the first carrier, in whole or in part by the biological Objects, eg Cells or the like is covered.
  • cuts of tissues or organs are applied or formed on the carrier in order to provide the biological objects to be examined in this way.
  • the first and second carrier are approachable in a controlled manner, thereby to approach a respective biological object of the or aperture as a measuring aperture, until a sealing attaching the biological object to be examined with its membrane at the Aperture results, eg in the sense of a gigaseal and, where appropriate, by assisting with further measures via the measuring aperture, e.g. by applying pressure, by applying electrical charge in the wall region which forms the aperture e.g. via an otherwise electrically isolated from the measuring medium control electrode assembly or also using surface modifications on the wall region for controlling the attachment, e.g. in the sense of a doping, a certain surface texture or chemical modifications of the surface.
  • the first and second supports By approximating the first and second supports in relation to each other in a controlled manner, it is also possible to reduce the total volume of remaining free measuring space, which is generally e.g. filled by an aqueous solvent or measuring medium, to be kept particularly small in order thereby to be able to change the measuring environment quickly, e.g. by rapid perfusion and in so-called concentration jump experiments or also to be able to change the experimental conditions for the biological objects to be examined as quickly as possible.
  • the total volume of remaining free measuring space which is generally e.g. filled by an aqueous solvent or measuring medium
  • At least one actuator is formed for the controlled approach of the first carrier and the second carrier to each other. Through this, the first carrier and / or the second carrier can be moved relative to each other controlled.
  • means for self-organization, self-leveling, and / or self-adjustment in the approach and / or alignment may be formed. Provision may be made for the first carrier to be moved and / or aligned with the second carrier resting thereon or for the second carrier to be moved and / or aligned with the first carrier resting thereon. It is also possible for both carriers to be moved independently of one another, possibly forming a plurality of actuators.
  • the respective actuator is designed to linearly displace the first carrier and / or the second carrier along one or more of the three spatial directions x, y, z.
  • a respective actuator for rotating the first carrier and / or the second carrier may be formed around one or more of the three spatial directions x, y, corresponding to axes of rotation X, Y, Z.
  • Tilting of the substrate can also be done by self-leveling the substrate because e.g. PDMS carriers are particularly soft and flexible as a substrate.
  • Actuators are also conceivable which cover all or part of these possibilities of movement shapes of the first and second carriers in relation to each other. However, it may also be formed a corresponding plurality of actuators covering one or more of these possibilities of movement of the first and second carrier with respect to each other.
  • alignment of the first carrier and the second carrier with respect to one another can take place in a particularly flexible manner.
  • the orientation of biological objects to be examined and assigned aperture in all three spatial directions and axes of rotation with respect to each other.
  • the second carrier at least on the side associated with the first carrier, that is to say the side, which in an experiment or an electrophysiological measuring method then the side provided with the aperture or area of the first carrier is approximated, is formed with or from a material which controls the growth, adhesion and / or culturing of the biological objects to be examined, in particular promotes.
  • the side of the second carrier associated with the first carrier is formed with or made of a suitable material, for example with or made of a soft and / or flexible material, in particular of PDMS or the like.
  • the adhering, growing or cultivating material may also be provided or formed in a structured manner on the surface, for example to promote a particular geometry in adhering, growing and / or cultivating an ensemble of biological objects to be examined, eg in lattice form or the like ,
  • biological objects which are subjected to an examination may be cells, cell organelles, oocytes, bacteria or their combinations or fragments, in each case in the broadest sense.
  • Artificial or partially artificial essentially biological structures are also conceivable, for example in the form of vesicles, liposomes, micelles, membrane fragments or the like, in which proteins are incorporated and / or deposited in a natural or artificial manner.
  • the objects to be examined may generally be natural or partially or completely artificial biological objects.
  • non-biological objects are assayable to produce e.g. to investigate pure lipid structures and their modifications.
  • only biological objects are discussed, but all variations described in this sense are to be included as measuring objects.
  • the aperture region is formed in the region of a first carrier which has an upper side and a lower side.
  • a respective wall region forming an aperture with respect to the upper side and / or with respect to the underside of the first carrier may project partially or completely.
  • the first carrier to be provided may also be referred to as a first base, a first substrate or a first base substrate.
  • the provision of such a first substrate or of such a first carrier mechanically stabilizes the measuring arrangement and in particular the arrangement of the biological object to be examined as examined, and allows a macroscopic subdivision of the measuring arrangement with respect to the electrolyte bath to be subdivided in the sense of subdividing one Measuring cuvette or wet cell in compartments with measuring and counter electrode.
  • a respective wall region forming an aperture can also be integrated in the inner wall of the hole in combination with the electrode arrangement.
  • one or more apertures may be formed with corresponding wall areas with respect to the top outstanding or emphasizing.
  • these may also be everted flush inwardly at the top to protrude on the underside of the first carrier or substrate; However, this is not mandatory and can be omitted with appropriate thickness of the membrane.
  • the AusmajS the respective Eindülpens or protrusion affects the inner wall of the respective wall area and thus the interaction surface with the interaction of the membrane of the biological object. Moreover, the choice of the degree of protrusion or indentation makes it possible to adapt to the particular measurement objects available, for example with regard to their shape or number in the measurement solution.
  • the first carrier may be formed as - in particular planar - plate element with front or top and back or bottom. Other geometries are conceivable.
  • the plate shape in which, for example, the shape of a pipette, eg in the sense of a classic patch pipette is taken up.
  • the wall region which forms an aperture can be designed in the manner of a lateral surface or as a combination of lateral surfaces.
  • the shell of a cylinder, a prism, a truncated cone and / or a truncated pyramid can be gripped back, with a corresponding wall thickness.
  • shape of the wall region for forming the aperture there are therefore numerous possibilities. These can be selected depending on the shape and the other - eg mechanical, geometric and / or electrical - properties of the biological objects to be examined.
  • An aperture forming wall portion may be formed with or from a material of the group of materials including glass, quartz glass, silicon, carbon, and combinations thereof.
  • a material of the group of materials including glass, quartz glass, silicon, carbon, and combinations thereof.
  • the properties of the underlying biological objects can also be taken into account, for example with regard to the surface structure or surface charge of the membrane exterior and / or the membrane interior of the biological objects, for example, to provide particularly intimate adhesion and thus further supporting the increase in the sealing resistance of the seal.
  • the diameter of the aperture and in particular the inner diameter of one or the aperture forming wall portion may have a value in the range of about 0 ⁇ to about 50 ⁇ , preferably in the range in the range of about 1 ⁇ to about 50 ⁇ .
  • One or the wall forming an aperture may have a height or depth in the range of about 0 ⁇ m to about 20 ⁇ m over the top or bottom of the carrier or substrate.
  • the stated dimensions with regard to height and depth of the wall regions and their diameters can be further based on the geometric conditions of the biological objects to be examined, in particular their size and the mechanical properties of their membranes, and consequently values other than those specifically indicated.
  • a measuring electrode can be provided in the region or within the aperture or in a region on the rear or underside of the carrier or substrate.
  • the measuring electrode and the counterelectrode are preferably arranged on opposite sides of the carrier or substrate or the measuring aperture, in any case in such a way that when a preferably biological object is to be measured, this is arranged between the electrodes and, when a suitable electrode is formed. th sealing resistance or seals this electrically separated, preferably with a very high resistance, ideally greater than 1 GO.
  • the basic structure of the electrophysiological measuring arrangement according to the invention according to this embodiment thus includes in particular the provision of a measuring electrode arrangement and a counter electrode arrangement, between which an electric current and / or an electrical voltage can be measured, wherein between the measuring electrode arrangement and the counter electrode arrangement just the biological object to be measured In the region of the aperture and its wall region, the residual conductivity, ie the conductivity between the membrane of the biological object and the wall region of the aperture, is as small as possible, so that the actually measured electrical conductivity is as low as possible due to the sealing or sealing attachment
  • Currents and / or electrical voltages can be considered to be caused by the properties of the membrane of the biological object, for example by transport processes, charge shifts within or over across the membrane, through substrate binding or dispensing, or the like.
  • an electrophysiological measuring arrangement in which the aperture region of the first carrier has a plurality of apertures, in particular in a grid or matrix-like arrangement and / or analogous organotypic forms, e.g. of the hippocampus or other biological structures, and in which the second carrier on the side associated with the first carrier one of the arrangement of the plurality of apertures corresponding arrangement of position structures and in particular of positioning recesses and / or projections for receiving and / or fixing a biological Object, wherein in particular directly adjacent positioning structures or positioning recesses / projections are each connected by a connecting structure and in particular a channel and / or a web on or in the first carrier associated side.
  • Such a structure for the second carrier gives the possibility of forming or arranging an ensemble of biological objects to be examined with a well-defined arrangement and topology which is particularly accessible to a measurement.
  • an electrophysiological measuring method is defined, in particular using the electrophysiological measuring arrangement according to the invention.
  • This method includes but is not limited to the following steps:
  • a randomly distributed cell ensemble or network on the second carrier is examined by means of the controlled positioning and alignment of the first and second carriers by means of an electrophysiological measurement.
  • the approximation of the first and second carriers in relation to each other results in controlled manner and Welse means of the controlled positioning and alignment of the first and second carrier reduces the total existing volume of a free measuring space, namely compared to a procedure without controlled positioning and aligning the first and second carrier with respect to each other, in particular thereby to a measurement environment of rapidly changing biological object, in particular by rapid perfusion and / or concentration jump experiments, and / or to quickly change the experimental conditions for the biological objects to be examined.
  • an approximation and / or positioning and in particular a tilting of the first and / or the second carrier as a substrate via a self-leveling of the respective carrier or substrate, especially if their respective material soft and / or flexible is.
  • the self-leveling could be done by means of a joint between the punch and the sinking unit, ie the second carrier and an actuator, by a flexible material, such as e.g. PDM or others, and / or
  • FIGS. 1A-C show a schematic and sectional side view of a
  • Embodiment of the electrophysiological measuring device according to the invention in various intermediate states in their use.
  • 2A shows in plan view an embodiment of a first carrier having a matrix arrangement of a plurality of apertures.
  • 11 shows in plan view an embodiment of a second carrier with an ensemble of adherent cells as biological objects arranged in a matrix form corresponding to the matrix form of FIG. 2A.
  • FIG. 1A shows in a similar manner as in Fig. 1A in a schematic and sectional side view of various embodiments of an electrophysiological measuring device according to the present invention, in which a respective aperture are formed by wall portions which correspond to lateral surfaces of different geometric body.
  • FIG. 12 shows graphs showing measurement results in single-cell measurements using the electrophysiological techniques of the present invention Measuring arrangement and / or the electrophysiological logging method according to the invention.
  • FIG. 13 shows measurement results in so-called single channel measurements using the electrophysiological according to the invention
  • the patch-clamp technology is applied to e.g. Perform ion channel analyzes for drug testing.
  • the manual patch-clamp method and its refinements e.g. on single cells - electrical currents and voltages are measured which - e.g. of ion channels - are caused in the membranes of biological cells.
  • the functionalities of the manual patch-clamp procedure and APC systems are fundamentally the same.
  • the problem with both types of systems is the necessity of forming a high-resistance sealing resistor between the measurement object O, for example a cell O, and the measuring arrangement 100.
  • a patch pipette or measuring aperture as shown in a flat cell array, such as in an APC scheme in Figs. 9A to 9E, 10 and 1 1.
  • a cell By means of a measuring aperture 14, a cell may be aspirated as a biological object O.
  • a small, limited part of the cell membrane M which is referred to as a patch, is thereby drawn in with a slight negative pressure.
  • the measuring surface or, in the case of a whole-cell measurement according to FIG. 9D the cell interior is electrically sealed in the mega to gigaohm region towards the cell outer.
  • the cell-attached configuration also allows current measurement on individual ion channels in the cell membrane.
  • the gigaseal rate and the sealing resistance of the manual patch clamp and the APC systems are a measure of the quality of the possible ion channel measurements. To date, a 100% gigaseal rate is not possible. The training of the Gigaseal depends on many factors that are not accessible to active influence.
  • the present invention can also be understood as an analysis system which consists of an adherent cell culture platform and has a chip-based analysis hardware in the sense of a patch-clamp chip, wherein one, in particular elongated. Patch pipette with improved perfusion capability is provided.
  • the present invention can be used in particular as a system for drug tests in basic research as well as in drug discovery in adherent and / or crosslinked cells.
  • a cell culture platform in terms of eg lowerable punch, which can also be referred to as a second carrier in the context of the invention, cultivated and then perpendicular to the so-called patch clamp chip, which is also the first carrier in the context of the invention can be referred to lowered.
  • a sealing or sealing equipment for example in the sense of a Gigaseal reached, then to perform so-called patch-clamp investigations , It is also conceivable to reverse the arrangement of the structure, and to lower the chip and the analysis hardware to the adherent cell culture on the second carrier.
  • the cell culture and analysis chip i. that is, the second carrier and the first carrier can be spatially separated from one another until shortly before the actual measurement or patch clamp analysis. This may also serve, e.g. the cells during cultivation and shortly after to keep under optimal conditions, whereas the actual measurement process then optionally under physiological non-optimal conditions and thus takes place shortly before the measurement.
  • the perfusion can be supported integrated in or on the stamp or chip in the form of microfluidic channels and / or webs.
  • punch and chip By means of the possibly very small distances between punch and chip, for example in the range of 5 to 25 ⁇ , are very small volumes and very fast exchange rates of measuring solutions or perfusion solutions possible.
  • Construction, materials and processing of the chip or first carrier and / or the second carrier allow the formation of very high sealing resistances or seals, in particular in the so-called giga ohm range.
  • the second support By structuring the second support, perfusions of individual stripe sections, e.g. in the sense of pipette strips, for adherent cells possible. It can be formed so-called positioning webs on the second carrier or stamp and / or the first carrier or chip, which allow self-alignment and / or self-organization in the alignment between the first and second carrier.
  • the inventive technique also allows the integration of so-called contact pressure sensors to automate the lowering of the stamp and thus to make customer-friendly.
  • elements of the piezoelectric technology can be used, it can, for. Piezo elements may be designed as pressure sensors integrated in the surface of the first carrier and / or the second carrier, if appropriate with a corresponding electrical connection to an intended control electronics.
  • the structures on the chip or first carrier and / or the stamp or second carrier, in particular in the respective surface, may be formed in channel and / or web shape.
  • a targeted supply of perfusion solution or active solution to the biological objects to be examined, and in particular to be measured cells possible.
  • the appropriate solution exchange can optionally be done very quickly.
  • the movement of punches, ie the second carrier, and / or chip, ie the first carrier, in the x, y and z directions and by lateral torsional motion is possible by means of computer-aided algorithmics, the calculation of an optimal punch-to-chip alignment to bring a maximum number of adherent cells in contact with the on-chip patch pipettes, so the apertures.
  • the separation of the chip, ie the first carrier and culture, ie the second carrier makes sense, because it avoids the risk of chip failure in poor cultures.
  • the separation of the chip, ie the first carrier and culture, ie the second carrier allows the measurement of the positioning of cells chemically or structurally bound to the platform directly above the respective patch pipettes or apertures.
  • FIGS. 1A to 1C shows, in a schematic and sectional side view, an embodiment of the electrophysiological measuring arrangement 100 according to the invention in various states which are adopted when using the measuring arrangement 100. It should be noted that the representation chosen there may not be true to scale.
  • a first carrier 12-1 having a lower side 12-1b and an upper side 12-1a, which is formed from a material 12-1 ' , relative to a second carrier 12-2 with a bottom 12-2a and a top 12-2b and a material 12-2 ' can be moved, so that a defined approach between the first and second carrier 12- 1 and 12, respectively -2 can be performed in a controlled manner.
  • the biological object O to be measured which is attached to the underside 12-2a of the second carrier 12-2, becomes the aperture area 10 and the aperture 14 of the first carrier 12-1 of the measuring arrangement 100 provided therein controlled way closer.
  • the structure of the biological object O to be examined which is shown in FIGS. 1A-1C, is only representative in the sense of an individual cell. Representative for it also an ensemble of biological objects in the sense of a cell culture, a cell network or a cell lawn is meant.
  • the approximation of the first carrier 12-1 can also take place when the second carrier 12-2 is stationary. Also, both carriers 12-1 and 12-2 can be moved together toward each other. Furthermore, a reorientation is also possible, so that the second carrier 12-2 lies at the bottom with the biological objects O in FIGS. 1A to 1C, but then with its side 12-2a as the upper side, and so that then the first carrier 12 - 1 is oriented upwards, but then with the aperture area 10 and its side 12- la oriented downwards, namely the side 12-2a of the second carrier 12-2 and the biological object to be examined O associated and facing.
  • the cell-attached mode of FIG. 1B is then changed to the whole-cell mode, namely by opening the membrane M of the biological object O to be examined, e.g. by a pressure surge with negative pressure across the aperture 1 with attached object O, e.g. in the state according to FIG. IB.
  • FIG. 2A shows in plan view an embodiment of a first carrier 12-1 and its upper side 12-la, in which the aperture region 10 has a plurality of apertures 14, which are in the manner of a grid or a matrix represented by the dashed lines Grid points thereof are arranged.
  • the aperture region 10 has a plurality of apertures 14, which are in the manner of a grid or a matrix represented by the dashed lines Grid points thereof are arranged.
  • other topologies are conceivable
  • FIG. 2B shows a view of an embodiment of the second carrier 12-2 and its underside 12-2a, which has a plurality of biological objects O to be examined, which likewise are in the manner of a matrix or a grid, which are again indicated by dashed lines, lie at corresponding grid points thereof, wherein the grid points at least approximately correspond to the grid points of the matrix arrangement for the apertures 14 of the first carrier 12-1 to speak so that each aperture 14 of the first carrier 12-1 is directly associated with a biological object O to be examined on the lower surface 12-2a of the second carrier 12-2 and when approaching the lower surface 12-2a of the second carrier 12-2 relative to the upper side 12-la of the first carrier 12- 1 at each aperture 14 with respect to the respective associated biological object a situation arises, as shown in connection with the sequence of Figs. 1A to IC for a single object O.
  • FIG. 2C shows a superimposition of the arrangements from FIGS. 2A and 2B, wherein in each case one of the apertures 14 is assigned a biological object O, so that when the first and second supports 12- 1 and 12-2 approach each other FIGS. 1A to 1C form a so-called multiple attachment and a plurality of or all individuals of the biological objects O to be examined can be examined electrophysiologically together or sequentially or also in interaction with one another in a measurement setup.
  • FIG. 3A shows a schematic and sectional side view of another embodiment of the electrophysiological measuring arrangement 100 according to the invention.
  • a basic element of this embodiment is the first carrier 12-1, which may also be referred to as the first base 12-1 or as the first substrate 12-2.
  • This first carrier 12-1 divides an electrolytic bath 40, 60, 70 provided during the measurement into at least two compartments, the first compartment 60 facing the underside 12-1b of the first carrier 12-1 or substrate 12-1 and the second compartment 40 faces the top 12-1 of the first carrier 12-1 or substrate 12-1.
  • the so-called aperture area 10 is incorporated.
  • This has at least one aperture 14, namely e.g. in the manner of a through-hole, which completely penetrates the first carrier 12-1 locally in its thickness or layer thickness direction, namely in the direction from the upper side 12-la to the lower side 12-lb.
  • a portion 70 of the electrolyte bath 40, 60, 70 is also provided.
  • a counterelectrode 50 connected to a line 51 is arranged in the upper-side compartment 40 to a measuring electrode 30 provided on the lower side 12-1b of the first carrier 12-1.
  • the measuring electrode 30 is thus located in the lower compartment 60 of the electrolyte bath 40, 60, 70 and is connected by a line 31.
  • the lines 51 and 31 to the counter electrode 50 and the measuring electrode 30 are isolated and lead to a corresponding control and measuring circuit, which is not shown here.
  • the first substrate 12-1 or the first carrier 12-1 are formed by a first carrier material 12-1 '.
  • the wall region 11 as such forms in the embodiment of FIGS. 1A and 1B a closed wall running in the manner of an inner lateral surface with an inner side 10i, 11c or inner wall 10i, 11e and an outer side 10a, 11a or outer wall 10a, l Ia.
  • an aperture 14 of the aperture region 10 of the electrophysiological measuring arrangement 100 according to the invention is formed, the inner side or the inner wall 10 '.
  • the outer wall or outer side 10a, 11a of the wall region 11 faces away from the aperture 14, but faces the compartment 40 of the electrolyte bath 40, 60, 70.
  • the wall region 11 rises exclusively above the upper side 12-1a of the first carrier or substrate 12-1.
  • the aperture region 10 is formed quasi-planar ,
  • Figs. 4 to 8 show modified embodiments thereof, which will be described later in detail.
  • the wall portion 1 which forms the aperture 14, formed in the manner of a lateral surface of a geometric body.
  • this lateral surface can originate from a vertical circular cylinder as a basic shape.
  • FIGS. 3C and 3D show, instead of a cylinder form a schematic plan view as the base square so that spatially results in a vertical square prism or a prism with a base in the manner of an oval, a quasi square or rectangle with rounded corners, as shown in Fig. 3D.
  • FIGS. 4 and 5 show, analogously to FIG. 3A and likewise in schematic and sectional side view, other embodiments of the measuring arrangement according to the invention, in which there is a difference in that, as shown in FIG. 4, the wall region 1 1 for the aperture 14 is flush with the Top 12- la of the first substrate 12-1 closes and protrudes exclusively on the bottom 12- lb of the first substrate 12-1 out, so that a total of a kind of invagination from the top 12- la inwardly to the compartment 60 for the aperture 14 is formed ,
  • the heights above the upper side 12-1a and above the lower side 12-1b, by which the wall area 11 for the aperture 14 each rise, may be identical. This is not mandatory. In Fig. 5, they are designed differently. In the embodiments of FIGS. 3 and 4 and 5, the cross section or diameter along the extension direction of the wall portion 1 1 is perpendicular to the top 12- la or perpendicular to the bottom 12- lb of the first substrate 12- 1 constant in its course. Alternatively, tapering or widening cross-sectional profiles can be provided. This is shown in the sequence of FIGS. 6 to 8, wherein FIG. 6 shows an embodiment of the measuring arrangement according to the invention, which corresponds to the embodiments of FIGS. 1 a to C and 3 A, but with a cross-section. For the aperture 14, which narrows with increasing distance from the upper side 12-la of the first carrier 12-1.
  • the aperture 14 is designed analogously to this and, in comparison to the embodiments of FIGS. 1A to C and 3A, such that the cross-sectional profile tapers at a distance from the underside 12 - 1b of the first substrate 12.
  • FIG. 8 shows an aperture 14 in which the diameter of the aperture 14 is at the height of the first substrate 12-1 and tapers with increasing distance both from the upper side 12-la of the first substrate 12-1 and from the lower side 12-1b of the first substrate 12-1.
  • the measuring electrode 30 is strongly adjacent to the lead 31 and partially inserted into the aperture region 10 having the aperture 14.
  • the position of the measuring electrode 30 can be varied, for example, it can be more guided into the electrolyte region 70 in the aperture 14 or be removed further therefrom.
  • FIGS. 9A to 9E show a schematic and sectional side view of various measuring principles that may be used in the electrophysiological measuring arrangement 100 according to the invention and the corresponding electrophysiological measuring method according to the invention.
  • a biological object O in this case, for example, a cell sucked and approximated to the aperture 14.
  • the mechanism of approach may also be done in another manipulative manner, for example by means of a separate pipette, laser tweezers or the like.
  • the cell is deposited without any destruction and completely on the measuring aperture 14. Will in this state a measurement is performed, this is called the cell-attached mode.
  • a membrane spot can be torn out of the membrane of the biological object O, so that according to FIG. 9C the torn-out membrane patch, a so-called patch, in the sealed or seamed state in FIG the measuring aperture 14 remains and actually forms the measuring object O.
  • the side of the membrane spot previously arranged in the interior points outwards, ie towards the compartment 40. For this reason, this measurement mode is also called Inside-Out mode.
  • the cell O are opened in the manner of a pressure surge so that a transition takes place from the so-called cell-attached mode to the whole-cell mode according to FIG. 9D, in which the measuring electrode 30 has direct access to the entire cell interior. That is, the cell interior is open to compartments 70 and 60, but substantially isolated from compartment 40.
  • FIG. 10 shows in detail the geometrical situation which is present in the case of a sealed or sealing attachment of a biological object O to be measured between its membrane M and the measuring aperture 14 and in particular the inner wall 10i, 11b of the wall area 11.
  • the mode of FIG. 10 is again a whole-cell mode in which the entire cell O is opened with its interior towards the measuring electrode 30 and towards the electrolyte compartments 60 and 70.
  • This embodiment of the The electrophysiolgic measuring arrangement 100 according to the invention is designed here in the manner of a patch pipette.
  • the sealing resistance between the cell membrane M of the biological object O to be measured and the inner wall 10i, 11b of the wall area 11 of the measuring aperture 14 is improved in that after controlled approach of the biological object O by means of the second carrier 12-2 via the contact tuator 80 the interaction with the outside of the membrane M of the biological object O is promoted.
  • the first substrate or the first carrier 12-1 mediated by the second substrate or the second carrier 12-2 is quasi occupied by a layer of cells O '.
  • a single cell O of the ensemble of cells O 'as a measurement object in whole-cell mode is accessible analogously to the situation according to FIG. 9D with improved sealing or sealing attachment of an electrophysiological measurement ,
  • FIG 11 shows an arrangement of the measuring arrangement 100 according to the invention, in which the wall region 1 1 forming an aperture 14 is formed by an edge region, so that the aperture 14 acts as a planar hole in the underlying first substrate or substrate 12. 1 is designed to promote the attachment and increase the sealing resistance.
  • FIG. 12 shows in the upper and lower regions respectively a graph with a plurality of measurement curves which were derived with an electrophysiological measurement arrangement according to the present invention, wherein the biological objects to be examined are neurons, ie nerve cells, and wherein the measurement curves demonstrate the so-called evoked potentials in their time course.
  • a voltage pulse is applied via the arrangement of the electrode 50 and counterelectrode 30 when the neuron is attached to the measuring aperture 14 as a biological object O initially and then the cell response is measured in terms of a derived potential over its time course.
  • the two graphs of FIG. 12 superimpose a large number of such evoked potentials at different initial voltage pulses under different conditions.
  • FIG. 12 shows in the upper and lower regions respectively a graph with a plurality of measurement curves which were derived with an electrophysiological measurement arrangement according to the present invention, wherein the biological objects to be examined are neurons, ie nerve cells, and wherein the measurement curves demonstrate the so-called evoked potentials in their time course.
  • FIG. 13 demonstrates a so-called single-channel measurement on a single cell using the electrophysiological measurement arrangement according to the present invention.
  • a single cell is supplied as a biological object to be examined O a single aperture 14, so that there is a sealing attachment, ie a gigaseal.
  • a sealing attachment ie a gigaseal.
  • the time profile of the electrical potential difference across the membrane M is measured.
  • channel-forming proteins in the cell membrane Roughly speaking, these have the property of being in an open or closed state. In the open state, ions, optionally selectively, may flow through a pore. When closed, this is not possible, the pore is then closed.
  • Fig. 13 now demonstrates a so-called single-channel measurement on a cell, wherein the solid line “0" represents the so-called zero current line and represents the state in which there is no single channel in the cell membrane in the open state, so net no ion current across the membrane M is clearly visible, that - starting from the zero line "0" - there are various intermediate states in which there are certain distances to the zero line in the course of the electric current.
  • the dashed line “1” indicates states in which a single channel is opened, whereas the dashed line “2” indicates states in which two channels are simultaneously opened.

Abstract

The present invention relates to an electrophysiological measuring arrangement (100) and an electrophysiological measuring method, in which a first carrier (12-1) is provided, comprising an aperture region (10), which is embodied in the region of the first carrier (12-1) for controlled sealing attachment of a biological object (O) and which, to this end, is embodied with at least one aperture (14) and with a wall region (11), which surrounds the aperture (14) in a forming manner. Furthermore, a second carrier (12-2) is provided, which is embodied on at least one side (12-2a) assigned to the first carrier (12-1) for adhesive attachment and/or cultivation of biological objects (O) to be examined, wherein the first and the second carrier (12-1, 12-2) are embodied in a controllable manner and in a manner approachable to one another with the side (12-2a) of the second carrier (12-2) assigned to the first carrier (12-1) substantially facing the first carrier (12-1) and the aperture region (10) of the first carrier (12-1).

Description

Elektrophysiologische Messanordnung und elektrophysiologisches Messverfahren  Electrophysiological measuring arrangement and electrophysiological measuring method
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrophysiologische Messanordnung so- wie ein elektrophysiologisches Messverfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen elektrophysiologischen Messanordnung. The present invention relates to an electrophysiological measuring arrangement as well as to an electrophysiological measuring method using the electrophysiological measuring arrangement according to the invention.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Es sind verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt, die im Bereich der Elektrophysiologie eingesetzt werden, um biologische Objekte - insbesondere also Zellen im weitesten Sinne, Zellorganellen, Oozyten und deren Fragmente - im Hinblick auf in jeweilige Membranen integrierte und/oder dort angelagerte Proteine und deren Transporteigenschaften hin zu untersuchen, wobei auch Vesikel, Lipo- somen oder andere mehr oder weniger künstliche Systeme zum Einsatz kommen können. BACKGROUND OF THE INVENTION Various methods and devices are known, which are used in the field of electrophysiology to biological objects - especially cells in the broadest sense, cell organelles, oocytes and their fragments - with regard to embedded in respective membranes and / or there attached proteins and their transport properties, whereby vesicles, liposomes or other more or less artificial systems can also be used.
Dabei werden häufig zwischen einer Messelektrode und einer Gegenelektrode, welche zwischen dem biologischen Objekt angeordnet werden, elektrische Ströme und/oder elektrische Spannungen aufgeprägt und/oder gemessen. Die gemessenen Ströme und/oder Spannungen sollen Aufschluss geben über die zu Grunde liegenden physiologischen Prozesse, insbesondere Transportprozesse, Konformationsänderungen und dergleichen. Häufig liegen dabei vergleichsweise sehr geringe Signalstärken vor. Zum Erzielen eines geeigneten Signal-zu-Rausch-Verhältnisses sind daher hohe Abdichtwiderstände, das heißt also möglichst geringe elektrische Restleitfähigkeiten, über die Membran selbst oder im Berührungs- oder Kontaktbereich zwischen der Membran des zu untersuchenden biologischen Objekts und der Aperturwand nötig. Frequently, electrical currents and / or electrical voltages are impressed and / or measured between a measuring electrode and a counterelectrode, which are arranged between the biological object. The measured currents and / or voltages should provide information about the underlying physiological processes, in particular transport processes, conformational changes and the like. Frequently, comparatively very low signal strengths are present. For achieving a suitable signal-to-noise ratio, therefore, high sealing resistances, that is to say the lowest possible residual electrical conductivities, are necessary over the membrane itself or in the contact or contact region between the membrane of the biological object to be examined and the aperture wall.
Häufig stellt sich in diesem Zusammenhang auch die Aufgabe, Einzelzellen oder ein Ensemble von Zellen in einem Zellverband zu untersuchen oder sogar den Zellverband als Ganzes einem Messverfahren zuzuführen, um z.B. Wechselwirkungen zwischen mittelbar oder unmittelbar benachbarten Zellen zu erfassen. Often in this context also the task arises to investigate single cells or an ensemble of cells in a cell assembly or even to feed the cell assembly as a whole to a measuring method, e.g. To capture interactions between directly or indirectly neighboring cells.
Bei einer natürlich gewählten Umgebung, z.B. einer entnommenen Probe oder bei einem unkontrolliert gewachsenen Zellensemble besteht die Schwierigkeit darin, dass sich die messtechnischen Einrichtungen nach der zufällig entstandenen Geometrie des dann vorgefundenen Zellensembles richten müssen. Dies stellt oft einen erheblichen Aufwand dar und beinhaltet unter Umständen auch Schwierigkeiten hinsichtlich der Reproduzierbarkeit unterschiedlicher Messungen in Bezug aufeinander. In a naturally chosen environment, such as a sample taken or in an uncontrolled cell ensemble, the difficulty is that the metrological devices must be based on the random geometry of the then found cell ensemble. This often represents a considerable effort and may also involve difficulties in reproducibility of different measurements in relation to each other.
Es wäre daher wünschenswert, wenn ein entsprechendes Zellensemble in wohldefinierter und vorhersagbarer Art und Weise, gegebenenfalls auch mit einem vorherbestimmbaren Design, bereitgestellt oder auch ein zufällig angeordnetes Zel- lensemble oder z.B. ein Schnitt eines Organs oder Gewebes zuverlässig an einem Träger angebarcht und einem elektrophysiologischen Messprozess unterzogen werden könnte. It would therefore be desirable if a corresponding cell ensemble were provided in a well-defined and predictable manner, possibly also with a predictable design, or else a randomly arranged cell ensemble or e.g. a section of an organ or tissue could be reliably attached to a wearer and subjected to an electrophysiological measurement process.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu Grunde, eine elektrophysiologische Messanordnung sowie ein entsprechendes Messverfahren unter Verwendung der elektrophysiologischen Messanordnung zu schaffen, bei welchen in vorhersagbarer und gesteuerter Art und Weise Messeinrichtungen und zu untersuchende bio- logische Objekte besonders zuverlässig und reproduzierbar in Bezug zueinander gesetzt und ausgerichtet werden können. The object of the invention is therefore to provide an electrophysiological measuring arrangement and a corresponding measuring method using the electrophysiological measuring arrangement in which measuring devices and biological objects to be examined are set in a predictable and controlled manner with particular reliability and reproducibility in relation to each other can be aligned.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einer elektrophysiologischen Messanordnung erfindungsgemäjß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bei einem elektrophysiologischen Messverfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist einerseits also eine elektrophysiologische Messanordnung, welche einen ersten Träger und einen zweiten Träger aufweist. Der erste Träger ist mit einem Aperturbereich ausgebildet, welcher im Bereich des ersten Trägers zum gesteuerten abdichtenden Anlagern eines biologischen Objekts oder einer Mehrzahl biologischer Objekte ausgebildet ist und eine entsprechende Struktur besitzt und welcher dazu mit mindestens einer Apertur oder einer Öffnung sowie mit einem Wandbereich ausgebildet ist, welcher die Apertur oder Öffnung bildend umgibt. Der zweite Träger ist zumindest auf einer dem ersten Träger zugeordneten Seite zur adhärenten Anlagerung und/oder Kultivierung zu untersuchender biologischer Objekte ausgebildet. Es kann auch vorge- sehen sein, dass dabei Schnitte von Geweben oder Organen am Träger angebracht oder ausgebildet werden, um auf diese Weise die zu untersuchenden biologischen Objekte zu bilden. Die Messanordnung ist so ausgebildet, dass der erste Träger und der zweite Träger steuerbar und mit der dem ersten Träger zugeordneten Sei- te des zweiten Trägers dem ersten Träger und dem Aperturbereich des ersten Trägers im Wesentlichen zugewandt aneinander annäherbar sind. The object underlying the invention is achieved in an electrophysiological measuring arrangement according to the invention with the features of independent patent claim 1. Furthermore, the object underlying the invention in an electrophysiological measurement method according to the invention with the features of independent claim 10 is achieved. Advantageous developments are described in the dependent claims. On the one hand, the subject of the present invention is therefore an electrophysiological measuring arrangement which has a first carrier and a second carrier. The first carrier is formed with an aperture region, which is formed in the region of the first carrier for the controlled sealing attachment of a biological object or a plurality of biological objects and has a corresponding structure and which is formed with at least one aperture or opening and with a wall portion which surrounds the aperture or opening. The second carrier is formed at least on a side associated with the first carrier for adherent attachment and / or cultivation of biological objects to be examined. It can also be it can be seen that cuts of tissues or organs are applied or formed on the wearer to form the biological objects to be examined in this way. The measuring arrangement is embodied such that the first carrier and the second carrier can be controlled and, with the side of the second carrier associated with the first carrier, approach the first carrier and the aperture region of the first carrier substantially facing one another.
Aufgabe des ersten Trägers ist also das Bereitstellen mindestens einer Apertur, z.B. im Sinne einer Messöffnung oder Messkapillare, welche dann zur abdichten- den oder„sealenden" Anlagerung und somit zur Ausbildung eines so genannten Gigaseals dienen. The task of the first carrier is therefore to provide at least one aperture, e.g. in the sense of a measuring opening or measuring capillary, which then serve for the sealing or "sealing" attachment and thus for the formation of a so-called gigaseal.
Der zweite Träger dient der Bereitstellung eines Anhaftungsbereichs oder Kultivierungsbereichs, z.B. nach Art eines Kulturmediums, auf welchem sich ein oder vorzugsweise mehrere Zellen oder andere biologische Objekte anordnen, ausbilden oder gar kultivieren lassen. So kann z.B. daran gedacht werden, dass sich der zweite Träger zunächst in einem Kulturmedium befindet und dort nach entsprechendem Impfen mit einem Rasen zu untersuchender biologischer Objekte überwachsen wird, wobei dann die Fläche, die später dem ersten Träger zugeordnet und angenähert wird, ganz oder teilweise von den biologischen Objekten, z.B. Zellen oder dergleichen, überdeckt wird. The second support serves to provide an adhesion region or cultivation region, e.g. in the manner of a culture medium on which one or preferably several cells or other biological objects arrange, train or even cultivate. Thus, e.g. be thought that the second carrier is initially in a culture medium and there is overgrown after appropriate inoculation with a lawn to be examined biological objects, in which case the area, which is later assigned and approximated the first carrier, in whole or in part by the biological Objects, eg Cells or the like is covered.
Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass Schnitte von Geweben oder Organen am Träger angebracht oder ausgebildet werden, um auf diese Weise die zu untersuchenden biologischen Objekte bereitzustellen. Alternatively or additionally, it may also be provided that cuts of tissues or organs are applied or formed on the carrier in order to provide the biological objects to be examined in this way.
Durch die Maßnahmen ist es erfindungsgemäß möglich, The measures make it possible according to the invention
(A) eine Messung nicht nur an einem zu untersuchenden biologischen Objekt, z.B. einer Zelle, durchzuführen, sondern (A) measurement not only on a biological object to be examined, e.g. a cell, but to perform
(B) Messungen an mehreren gleichartigen oder verschiedenen zu untersuchenden biologischen Objekten, z.B. Zellen, aus einem Ensemble heraus durchzuführen (B) measurements on several similar or different biological objects to be examined, e.g. Cells perform out of an ensemble
(C) aus einem Ensemble ein besonders geeignetes Individuum auszuwählen, z.B. unter gleichzeitiger mikroskopischer Inaugenscheinnahme, (D) auch Wechselwirkungen zwischen mittelbar und unmittelbar benachbarten zu untersuchenden biologischen Objekten zu untersuchen oder (C) to select an especially suitable individual from an ensemble, eg with simultaneous microscopic examination, (D) also to investigate interactions between indirectly and immediately adjacent biological objects to be examined or
(E) gar gleichzeitig oder nacheinander mehrere biologische Objekte und deren mittelbare oder unmittelbare Wechselwirkung zu betrachten. (E) even simultaneously or sequentially consider several biological objects and their direct or indirect interaction.
Dazu ist es von Vorteil, dass der erste und zweite Träger in gesteuerter Art und Weise einander annäherbar sind, um dadurch ein jeweiliges biologisches Objekt der oder einer Apertur als Messapertur anzunähern, bis sich ein abdichtendes Anlagern des zu untersuchenden biologischen Objekts mit dessen Membran an der Apertur ergibt, z.B. im Sinne eines Gigaseals und gegebenenfalls durch Unterstützung mit weiteren Maßnahmen über die Messapertur, z.B. durch Beaufschlagen mit Druck, durch Beaufschlagen mit elektrischer Ladung im Wandbereich der die Apertur bildet z.B. über eine ansonsten vom Messmedium elektrisch isolierte Steuerelektrodenanordnung oder auch unter Verwendung von Oberflächenmodifikationen am Wandbereich zum Steuern des Anlagerns, z.B. im Sinne einer Dotierung, einer bestimmten Oberflächentextur oder chemischen Modifikationen der Oberfläche. Durch das Annähern des ersten und zweiten Trägers in Bezug aufeinander in gesteuerter Art und Weise ist es auch möglich, das insgesamt vorliegende Volumen des verbleibenden freien Messraums, der im Allgemeinen z.B. durch ein wässriges Lösungsmittel oder Messmedium aufgefüllt ist, besonders klein zu halten, um dadurch die Messumgebung schnell wechseln zu können, z.B. durch schnelle Per- fusion und bei so genannten Konzentrationssprungexperimenten oder auch um möglichst rasch die Versuchsbedingungen für die zu untersuchenden biologischen Objekte verändern zu können. For this purpose, it is advantageous that the first and second carrier are approachable in a controlled manner, thereby to approach a respective biological object of the or aperture as a measuring aperture, until a sealing attaching the biological object to be examined with its membrane at the Aperture results, eg in the sense of a gigaseal and, where appropriate, by assisting with further measures via the measuring aperture, e.g. by applying pressure, by applying electrical charge in the wall region which forms the aperture e.g. via an otherwise electrically isolated from the measuring medium control electrode assembly or also using surface modifications on the wall region for controlling the attachment, e.g. in the sense of a doping, a certain surface texture or chemical modifications of the surface. By approximating the first and second supports in relation to each other in a controlled manner, it is also possible to reduce the total volume of remaining free measuring space, which is generally e.g. filled by an aqueous solvent or measuring medium, to be kept particularly small in order thereby to be able to change the measuring environment quickly, e.g. by rapid perfusion and in so-called concentration jump experiments or also to be able to change the experimental conditions for the biological objects to be examined as quickly as possible.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der elektrophysiologischen Messanord- nung ist zum gesteuerten Annähern des ersten Trägers und des zweiten Trägers aneinander mindestens ein Aktuator ausgebildet. Durch diesen können der erste Träger und/oder der zweite Träger relativ zueinander gesteuert bewegt werden. In a preferred embodiment of the electrophysiological measuring arrangement, at least one actuator is formed for the controlled approach of the first carrier and the second carrier to each other. Through this, the first carrier and / or the second carrier can be moved relative to each other controlled.
Alternativ oder zusätzlich können Mittel zur Selbstorganisation, Selbstnivellie- rung, und/oder Selbstjustierung bei der Annäherung und/oder Ausrichtung, insbesondere Positioniermarken oder -Stege, Kontakt- oder Andrucksensoren oder dergleichen, ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass der erste Träger bei ruhendem zweiten Träger auf diesen zu bewegt und /oder ausgerichtet wird oder dass der zweite Träger bei ruhendem ersten Träger auf diesen zu bewegt und/oder ausgerichtet wird. Es ist auch möglich, dass beide Träger unabhängig voneinander bewegt werden, gegebe- nenfalls unter Ausbilden einer Mehrzahl von Aktuatoren. Alternatively or additionally, means for self-organization, self-leveling, and / or self-adjustment in the approach and / or alignment, in particular positioning marks or webs, contact or pressure sensors or the like may be formed. Provision may be made for the first carrier to be moved and / or aligned with the second carrier resting thereon or for the second carrier to be moved and / or aligned with the first carrier resting thereon. It is also possible for both carriers to be moved independently of one another, possibly forming a plurality of actuators.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der elektrophysiologischen Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der jeweilige Aktuator zu einer linearen Verschiebung des ersten Trägers und/ oder des zweiten Trägers entlang einer oder mehrerer der drei Raumrichtungen x, y, z ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ kann ein jeweiliger Aktuator zur Rotation des ersten Trägers und/oder des zweiten Trägers um ein oder mehrere den drei Raumrichtungen x, y, zu entsprechenden Rotationsachsen X, Y, Z ausgebildet sein. In another preferred embodiment of the electrophysiological measuring arrangement according to the present invention, it is provided that the respective actuator is designed to linearly displace the first carrier and / or the second carrier along one or more of the three spatial directions x, y, z. Additionally or alternatively, a respective actuator for rotating the first carrier and / or the second carrier may be formed around one or more of the three spatial directions x, y, corresponding to axes of rotation X, Y, Z.
Eine Verkippung des Substrates kann auch über eine Selbstnivellierung des Substrates geschehen, weil z.B. aus PDMS bestehende Träger als Substrat besonders weich und flexibel sind. Auch sind Aktuatoren denkbar, die sämtliche oder einen Teil dieser Möglichkeiten an Bewegungsformen der ersten und zweiten Träger in Bezug aufeinander abdecken. Es kann jedoch auch eine entsprechende Mehrzahl von Aktuatoren ausgebildet sein, die ein oder mehrere dieser Möglichkeiten der Bewegungsformen der ersten und zweiten Träger in Bezug aufeinander abdecken. Tilting of the substrate can also be done by self-leveling the substrate because e.g. PDMS carriers are particularly soft and flexible as a substrate. Actuators are also conceivable which cover all or part of these possibilities of movement shapes of the first and second carriers in relation to each other. However, it may also be formed a corresponding plurality of actuators covering one or more of these possibilities of movement of the first and second carrier with respect to each other.
Durch diese Maßnahmen kann in besonders flexibler Art und Weise die Ausrichtung des ersten Trägers und des zweiten Trägers in Bezug aufeinander erfolgen. Damit ist es auch in besonders flexibler und zuverlässiger Art und Weise möglich, die zu vermessenden - und gegebenenfalls auf dem zweiten Träger zufällig verteil- ten - biologischen Objekte in Bezug auf die Messstrukturen, insbesondere also in Bezug auf ein oder mehrere Aperturen, auszurichten und zu orientieren. Dabei wird nicht nur der Abstand der zu untersuchenden biologischen Objekte zur jeweiligen Apertur steuerbar, sondern die Orientierung von zu untersuchenden biologischen Objekten und zugeordneter Apertur in sämtlichen drei Raumrichtungen und Rotationsachsen in Bezug aufeinander. As a result of these measures, alignment of the first carrier and the second carrier with respect to one another can take place in a particularly flexible manner. Thus, it is also possible in a particularly flexible and reliable manner to align and to measure the biological objects to be measured - and possibly randomly distributed on the second carrier - with respect to the measuring structures, in particular with respect to one or more apertures orientate. In this case, not only the distance of the biological objects to be examined to the respective aperture can be controlled, but the orientation of biological objects to be examined and assigned aperture in all three spatial directions and axes of rotation with respect to each other.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der zweite Träger zumindest auf der dem ersten Träger zugeordneten Seite, also der Seite, die in einem Experiment oder einem elektrophysiologischen Messverfahren dann der mit der Apertur versehenen Seite oder Fläche des ersten Trägers angenähert wird, mit oder aus einem Material gebildet ist, welches das Anwachsen, Anhaften und/oder Kultivieren der zu untersuchenden biologischen Objekte steuert, insbesondere fördert. Dazu kann es vorgesehen sein, dass die dem ersten Träger zugeordnete Seite des zweiten Trägers mit oder aus einem geeigneten Material gebildet ist, z.B. mit oder aus einem weichen und/oder flexiblen Material, insbesondere aus PDMS oder dergleichen. Das Anhaften, Anwachsen oder Kultivieren fördernde Material kann auch in strukturierter Art und Weise auf der Oberfläche vorgesehen oder ausgebildet sein, um z.B. eine bestimmte Geometrie beim Anhaften, Anwachsen und/oder Kultivieren eines Ensembles zu untersuchender biologischer Objekte zu fördern, z.B. in Gitterform oder dergleichen. It is particularly advantageous if the second carrier, at least on the side associated with the first carrier, that is to say the side, which in an experiment or an electrophysiological measuring method then the side provided with the aperture or area of the first carrier is approximated, is formed with or from a material which controls the growth, adhesion and / or culturing of the biological objects to be examined, in particular promotes. For this purpose, it may be provided that the side of the second carrier associated with the first carrier is formed with or made of a suitable material, for example with or made of a soft and / or flexible material, in particular of PDMS or the like. The adhering, growing or cultivating material may also be provided or formed in a structured manner on the surface, for example to promote a particular geometry in adhering, growing and / or cultivating an ensemble of biological objects to be examined, eg in lattice form or the like ,
Im Sinne der Erfindung können biologische Objekte, die einer Untersuchung zugeführt werden, Zellen, Zellorganellen, Oozyten, Bakterien oder deren Kombinationen oder Fragmente, jeweils im weitesten Sinne, sein. Auch sind künstliche oder teilweise künstliche im Wesentlichen biologische Strukturen denkbar, zum Bei- spiel in Form von Vesikeln, Liposomen, Mizellen, Membranfragmente oder dergleichen, in welche in natürlicher oder künstlicher Art und Weise Proteine ein- und/oder angelagert sind. For the purposes of the invention, biological objects which are subjected to an examination may be cells, cell organelles, oocytes, bacteria or their combinations or fragments, in each case in the broadest sense. Artificial or partially artificial essentially biological structures are also conceivable, for example in the form of vesicles, liposomes, micelles, membrane fragments or the like, in which proteins are incorporated and / or deposited in a natural or artificial manner.
Die zu untersuchenden Objekte können ganz allgemein natürliche oder teilweise oder vollständig künstliche biologische Objekte sein. Auch sind nicht-biologische Objekte untersuchbar, um z.B. reine Lipidstrukturen und deren Modifikationen zu untersuchen. Im Folgenden wird ausschließlich von biologischen Objekten gesprochen, wobei jedoch sämtliche, in diesem Sinne beschriebenen Variationen als Messobjekte mit umfasst sein sollen. The objects to be examined may generally be natural or partially or completely artificial biological objects. Also, non-biological objects are assayable to produce e.g. to investigate pure lipid structures and their modifications. In the following, only biological objects are discussed, but all variations described in this sense are to be included as measuring objects.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung ist der Aperturbereich im Bereich eines ersten Trägers ausgebildet, der eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Dabei kann dann ein jeweiliger eine Apertur bildender Wandbereich in Bezug auf die Oberseite und/oder in Bezug auf die Unterseite des ersten Trägers teilweise oder vollständig hervorstehen. In another embodiment of the measuring arrangement according to the invention, the aperture region is formed in the region of a first carrier which has an upper side and a lower side. In this case, a respective wall region forming an aperture with respect to the upper side and / or with respect to the underside of the first carrier may project partially or completely.
Der vorzusehende erste Träger kann auch als erste Basis, erstes Substrat oder erstes Grundsubstrat bezeichnet werden. Das Vorsehen eines derartigen ersten Substrats oder eines derartigen ersten Trägers stabilisiert die Messanordnung und insbesondere die Anordnung des angeordneten zu untersuchenden biologischen Objekts als solche mechanisch und ermöglicht eine makroskopische Unterteilung der Messanordnung in Bezug auf das der Messung zu Grunde zu legende Elektrolytbad im Sinne der Unterteilung einer Messküvette oder Nasszelle in Kompartimente mit Mess- und Gegenelektrode. The first carrier to be provided may also be referred to as a first base, a first substrate or a first base substrate. The provision of such a first substrate or of such a first carrier mechanically stabilizes the measuring arrangement and in particular the arrangement of the biological object to be examined as examined, and allows a macroscopic subdivision of the measuring arrangement with respect to the electrolyte bath to be subdivided in the sense of subdividing one Measuring cuvette or wet cell in compartments with measuring and counter electrode.
Ein jeweiliger eine Apertur bildender Wandbereich kann auch in der Innenwand des Loches in Kombination mit der Elektrodenanordnung integriert ausgebildet sein. A respective wall region forming an aperture can also be integrated in the inner wall of the hole in combination with the electrode arrangement.
Auf der Grundlage des ersten Substrats oder des ersten Trägers können dann ein oder mehrere Aperturen mit entsprechenden Wandbereichen in Bezug auf die Oberseite herausragend oder sich hervorhebend ausgebildet werden. On the basis of the first substrate or the first carrier, one or more apertures may be formed with corresponding wall areas with respect to the top outstanding or emphasizing.
Alternativ dazu können diese auch an der Oberseite planar abschließend nach innen ausgestülpt sein, um auf der Unterseite des ersten Trägers oder des ersten Substrats hervorzustehen; dies ist jedoch nicht zwingend und kann bei entsprechender Dicke der Membran entfallen. Alternatively, these may also be everted flush inwardly at the top to protrude on the underside of the first carrier or substrate; However, this is not mandatory and can be omitted with appropriate thickness of the membrane.
Das AusmajS des jeweiligen Einstülpens oder Hervortretens beeinflusst die Innenwand des jeweiligen Wandbereichs und damit die zur Verfügung stehende Wechselwirkungsfläche mit der Membran des biologischen Objekts. Die Wahl des Ausmaßes des Hervorragens oder Einstülpens ermöglicht darüber hinaus eine Anpas- sung an die jeweilig zur Verfügung stehenden Messobjekte, zum Beispiel im Hinblick auf deren Form oder Anzahl in der Messlösung. The AusmajS the respective Eindülpens or protrusion affects the inner wall of the respective wall area and thus the interaction surface with the interaction of the membrane of the biological object. Moreover, the choice of the degree of protrusion or indentation makes it possible to adapt to the particular measurement objects available, for example with regard to their shape or number in the measurement solution.
Der erste Träger kann als - insbesondere planares - Plattenelement mit Vorderoder Oberseite und mit Rück- oder Unterseite ausgebildet sein. Auch andere Ge- ometrien sind denkbar. The first carrier may be formed as - in particular planar - plate element with front or top and back or bottom. Other geometries are conceivable.
Alternativ dazu kann von der Plattenform abgewichen werden, in dem z.B. die Form einer Pipette, z.B. im Sinne einer klassischen Patchpipette aufgegriffen wird. Der Wandbereich, der eine Apertur bildet, kann nach Art einer Mantelfläche oder als eine Kombination von Mantelflächen ausgebildet sein. Dabei kann jeweils auf den Mantel eines Zylinders, eines Prismas, eines Kegelstumpfs und/oder eines Pyramidenstumpfs zurück gegriffen werden, mit entsprechender Wandstärke. Bezüglich der Form des Wandbereichs zur Ausbildung der Apertur stehen also vielfältige Möglichkeiten zur Verfügung. Diese können ausgewählt werden in Abhängigkeit von der Form und den weiteren - z.B. mechanischen, geometrischen und/oder elektrischen - Eigenschaften der zu untersuchenden biologischen Ob- jekte. Alternatively, it is possible to deviate from the plate shape, in which, for example, the shape of a pipette, eg in the sense of a classic patch pipette is taken up. The wall region which forms an aperture can be designed in the manner of a lateral surface or as a combination of lateral surfaces. In each case, the shell of a cylinder, a prism, a truncated cone and / or a truncated pyramid can be gripped back, with a corresponding wall thickness. With regard to the shape of the wall region for forming the aperture, there are therefore numerous possibilities. These can be selected depending on the shape and the other - eg mechanical, geometric and / or electrical - properties of the biological objects to be examined.
Ein eine Apertur bildender Wandbereich kann mit oder aus einem Material aus der Gruppe von Materialien ausgebildet sein, welche Glas, Quarzglas, Silizium, Kohlenstoff und deren Kombinationen aufweist. Auch in Bezug auf die Material- wähl können die Eigenschaften der zu Grunde liegenden biologischen Objekte berücksichtigt werden, zum Beispiel im Hinblick auf die Oberflächenstruktur oder Oberflächenladung der Membranaußenseite und /oder der Membraninnenseite der biologischen Objekte, zum Beispiel auch, um ein besonders inniges Anhaften und damit die Steigerung des Abdichtwiderstands beim Seal weiter zu unterstützen. An aperture forming wall portion may be formed with or from a material of the group of materials including glass, quartz glass, silicon, carbon, and combinations thereof. With regard to the choice of material, the properties of the underlying biological objects can also be taken into account, for example with regard to the surface structure or surface charge of the membrane exterior and / or the membrane interior of the biological objects, for example, to provide particularly intimate adhesion and thus further supporting the increase in the sealing resistance of the seal.
Der Durchmesser der Apertur und insbesondere der Innendurchmesser eines oder des die Apertur bildenden Wandbereichs können einen Wert im Bereich von etwa 0 μιη bis etwa 50 μιη, vorzugsweise im Bereich im Bereich von etwa 1 μπι bis etwa 50 μπι aufweisen. Ein oder der eine Apertur bildende Wandbereich kann über der Oberseite oder der Unterseite des Trägers oder des Substrats eine Höhe oder Tiefe im Bereich von etwa 0 μιη bis etwa 20 μπι aufweisen. The diameter of the aperture and in particular the inner diameter of one or the aperture forming wall portion may have a value in the range of about 0 μιη to about 50 μιη, preferably in the range in the range of about 1 μπι to about 50 μπι. One or the wall forming an aperture may have a height or depth in the range of about 0 μm to about 20 μm over the top or bottom of the carrier or substrate.
Die angegebenen MajSe in Bezug auf Höhe und Tiefe der Wandbereiche und deren Durchmesser können sich weiter an den geometrischen Gegebenheiten der zu un- tersuchenden biologischen Objekte orientieren, insbesondere also an deren Große und an den mechanischen Eigenschaften ihrer Membranen, und folglich entsprechend andere Werte als die konkret angegebenen aufweisen. The stated dimensions with regard to height and depth of the wall regions and their diameters can be further based on the geometric conditions of the biological objects to be examined, in particular their size and the mechanical properties of their membranes, and consequently values other than those specifically indicated.
Zur Ausbildung eines Messkreises können eine Messelektrode im Bereich oder innerhalb der Apertur oder in einem Bereich auf der Rück- oder Unterseite des Trägers oder Substrats vorgesehen sein. To form a measuring circuit, a measuring electrode can be provided in the region or within the aperture or in a region on the rear or underside of the carrier or substrate.
Es kann eine Gegenelektrode außerhalb der Apertur und im Bereich auf der Vorder- oder Oberseite des Trägers vorgesehen sein. There may be a counter electrode outside the aperture and in the area on the front or top of the carrier.
Messelektrode und Gegenelektrode sind vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Trägers oder Substrats oder der Messapertur angeordnet, jedenfalls so, dass bei Anlagerung eines zu vermessenden vorzugsweise biologischen Objekts dieses zwischen den Elektroden angeordnet ist und bei Ausbildung eines geeigne- ten Abdichtwiderstands oder Seals diese praktisch elektrisch trennt, vorzugsweise mit einem sehr hohen Widerstand, idealerweise größer als 1 GO. The measuring electrode and the counterelectrode are preferably arranged on opposite sides of the carrier or substrate or the measuring aperture, in any case in such a way that when a preferably biological object is to be measured, this is arranged between the electrodes and, when a suitable electrode is formed. th sealing resistance or seals this electrically separated, preferably with a very high resistance, ideally greater than 1 GO.
Der grundlegende Aufbau für die erfindungsgemäße elektrophysiologische Messanordnung gemäß dieser Ausführungsform beinhaltet also insbesondere das Vorsehen einer Messelektrodenanordnung und einer Gegenelektrodenanordnung, zwischen welchen ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung gemessen werden kann, wobei zwischen der Messelektrodenanordnung und der Gegenelektrodenanordnung gerade das zu vermessende biologische Objekt im Be- reich der Apertur und deren Wandbereich derart angeordnet ist oder wird, dass durch die abdichtende oder sealende Anlagerung die Restleitfähigkeit, also die Leitfähigkeit zwischen der Membran des biologischen Objekts und dem Wandbereich der Apertur, möglichst gering ist, so dass die tatsächlich gemessenen elektrischen Ströme und/oder elektrischen Spannungen als von den Eigenschaf- ten der Membran des biologischen Objekts hervorgerufen angesehen werden können, zum Beispiel durch Transportprozesse, Ladungsverschiebungen innerhalb oder über die Membran, durch Substratbindung oder -abgäbe oder dergleichen. The basic structure of the electrophysiological measuring arrangement according to the invention according to this embodiment thus includes in particular the provision of a measuring electrode arrangement and a counter electrode arrangement, between which an electric current and / or an electrical voltage can be measured, wherein between the measuring electrode arrangement and the counter electrode arrangement just the biological object to be measured In the region of the aperture and its wall region, the residual conductivity, ie the conductivity between the membrane of the biological object and the wall region of the aperture, is as small as possible, so that the actually measured electrical conductivity is as low as possible due to the sealing or sealing attachment Currents and / or electrical voltages can be considered to be caused by the properties of the membrane of the biological object, for example by transport processes, charge shifts within or over across the membrane, through substrate binding or dispensing, or the like.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrophysio- logische Messanordnung vorgeschlagen, bei welcher der Aperturbereich des ersten Trägers eine Mehrzahl von Aperturen aufweist, insbesondere in einer Anordnung nach Art eines Gitters oder einer Matrix und/oder analog organotypischer Formen wie z.B. des Hippocampus oder anderer biologischer Strukturen, und bei welcher der zweite Träger auf der dem ersten Träger zugeordneten Seite eine der Anord- nung der Mehrzahl von Aperturen entsprechende Anordnung von Positionsstrukturen und insbesondere von Positionierausnehmungen und/oder -vorsprüngen zur Aufnahme und/oder Fixierung eines biologischen Objekts aufweist, wobei insbesondere direkt benachbarte Positionierstrukturen oder Positionierausnehmungen/ -vorsprünge jeweils durch eine verbindende Struktur und insbesondere einen Kanal und/oder einen Steg auf oder in der den ersten Träger zugeordneten Seite verbunden sind. According to a further aspect of the present invention, an electrophysiological measuring arrangement is proposed, in which the aperture region of the first carrier has a plurality of apertures, in particular in a grid or matrix-like arrangement and / or analogous organotypic forms, e.g. of the hippocampus or other biological structures, and in which the second carrier on the side associated with the first carrier one of the arrangement of the plurality of apertures corresponding arrangement of position structures and in particular of positioning recesses and / or projections for receiving and / or fixing a biological Object, wherein in particular directly adjacent positioning structures or positioning recesses / projections are each connected by a connecting structure and in particular a channel and / or a web on or in the first carrier associated side.
Eine derartige Struktur für den zweiten Träger ergibt die Möglichkeit des Ausbildens oder Anordnens eines Ensembles zu untersuchender biologischer Objekte mit einer wohldefinierten und einer Messung besonders zugänglichen Anordnung oder Topologie. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrophysio- logisches Messverfahren definiert, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäJBen elektrophysiologischen Messanordnung. Such a structure for the second carrier gives the possibility of forming or arranging an ensemble of biological objects to be examined with a well-defined arrangement and topology which is particularly accessible to a measurement. According to a further aspect of the present invention, an electrophysiological measuring method is defined, in particular using the electrophysiological measuring arrangement according to the invention.
Dieses Verfahren weist die folgenden Schritte auf, ist aber gegebenenfalls nicht auf diese beschränkt: This method includes but is not limited to the following steps:
(1) Bereitstellen des ersten Trägers und des zweiten Trägers in einem fluiden Messmedium, (1) providing the first carrier and the second carrier in a fluid measuring medium,
(2) Bereitstellen des zweiten Trägers mit adhärierten oder suspendierten biologischen Objekten auf dem zweiten Träger, gegebenenfalls durch kultivieren der biologischen Objekte auf dem zweiten Träger, (2) providing the second support with adhered or suspended biological objects on the second support, optionally by cultivating the biological objects on the second support,
(3) Positionieren und Ausrichten der ersten und zweiten Träger zueinander, insbesondere in gesteuerter Art und Weise, und dabei - insbesondere gesteuertes - Annähern der ersten und zweiten Träger aneinander derart, dass dadurch mindestens ein biologisches Objekt dem Bereich mindestens einer Apertur angenähert wird, so dass ein Kontakt zwischen der Membran des biologischen Objekts und der Apertur zumindest unmittelbar erfolgen kann oder erfolgt, (3) Positioning and aligning the first and second carrier to each other, in particular in a controlled manner, and thereby - in particular controlled - approaching the first and second carrier to each other such that thereby at least one biological object is approximated to the region of at least one aperture, so that a contact between the membrane of the biological object and the aperture can take place or takes place at least directly,
(4) An- und Einsaugen der Membran des im Bereich der Apertur befindlichen biologischen Objekts mittels Unterdruck über die Apertur, (4) suction and suction of the membrane of the biological object located in the region of the aperture by means of negative pressure across the aperture,
(5) dadurch Attraktion der an- und eingesaugten Abschnitte der Membran und abdichtendes Anlagern der an- und eingesaugten Abschnitte der Membran an der Innenwand der Apertur und (5) thereby attracting the sucked and sucked portions of the membrane and sealingly attaching the sucked and sucked portions of the membrane to the inner wall of the aperture and
(6) Durchführen einer elektrophysiologischen Messung am im Bereich der Apertur befindlichen biologischen Objekt. (6) performing an electrophysiological measurement on the biological object located in the region of the aperture.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäJBen Verfahrens wird ein zufällig verteiltes Zellensemble oder -netzwerk auf dem zweiten Träger mit Hilfe des gesteuerten Positionierens und Ausrichtens der ersten und zweiten Träger mittels einer elektrophysiologischen Messung untersucht. In a preferred embodiment of the method according to the invention, a randomly distributed cell ensemble or network on the second carrier is examined by means of the controlled positioning and alignment of the first and second carriers by means of an electrophysiological measurement.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäJ3en Verfahrens wird durch das Annähern der ersten und zweiten Träger in Bezug aufeinander in ge- steuerter Art und Welse mittels des gesteuerten Positionierens und Ausrichtens der ersten und zweiten Träger das insgesamt vorliegende Volumen eines freien Messraums reduziert, nämlich im Vergleich zu einem Vorgehen ohne gesteuertes Positionieren und Ausrichten der ersten und zweiten Träger in Bezug aufeinander, insbesondere um dadurch eine Messumgebung des biologischen Objekts schnell zu wechseln, insbesondere durch schnelle Perfusion und/oder bei Konzentrationssprungexperimenten, und/oder um schnell die Versuchsbedingungen für das zu untersuchende biologische Objekte zu verändern. Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können eine Annäherung und/oder Positionierung und insbesondere eine Verkippung des ersten und/oder des zweiten Trägers als Substrat über eine Selbstnivellierung des jeweiligen Trägers oder Substrats erfolgen, insbesondere dann, wenn deren jeweiliges Material weich und/oder flexibel ist. In another embodiment of the method according to the invention, the approximation of the first and second carriers in relation to each other results in controlled manner and Welse means of the controlled positioning and alignment of the first and second carrier reduces the total existing volume of a free measuring space, namely compared to a procedure without controlled positioning and aligning the first and second carrier with respect to each other, in particular thereby to a measurement environment of rapidly changing biological object, in particular by rapid perfusion and / or concentration jump experiments, and / or to quickly change the experimental conditions for the biological objects to be examined. In a further embodiment of the method according to the invention, an approximation and / or positioning and in particular a tilting of the first and / or the second carrier as a substrate via a self-leveling of the respective carrier or substrate, especially if their respective material soft and / or flexible is.
Die Selbstnivellierung könnte erfolgen mittels eines Gelenks zwischen Stempel und Absenkeinheit, also dem zwei ten Träger und einem Aktuator, durch ein flexibles Material, wie z.B. PDM oder andere, und/oder The self-leveling could be done by means of a joint between the punch and the sinking unit, ie the second carrier and an actuator, by a flexible material, such as e.g. PDM or others, and / or
(c) durch kleine und den Abstand definierende und haltende Füßchen auf dem Stempel sowie auf der gegenüberliegenden Seite auf dem Substrat, also zwischen dem ersten und dem zweiten Träger. (C) by small and the distance defining and holding feet on the stamp and on the opposite side on the substrate, ie between the first and the second carrier.
Mit der zuletzt genannten Maßnahme kann man so auch den Abstand zwischen den Chip und Substrat definieren und/oder eine Perfusionsgeschwindigkeit einstellen. With the latter measure, it is thus also possible to define the distance between the chip and the substrate and / or to set a perfusion speed.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. These and other aspects of the present invention will be further clarified on the basis of the accompanying drawings.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Fig. 1A - C zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine FIGS. 1A-C show a schematic and sectional side view of a
Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrophysiologischen Messanordnung in verschiedenen Zwischenzuständen bei deren Verwendung. Fig. 2A zeigt in Aufsicht eine Ausführungsform eines ersten Trägers mit einer Matrixanordnung einer Mehrzahl von Aperturen. zeigt in Aufsicht eine Ausführungsform eines zweiten Trägers mit einem Ensemble adhärenter Zellen als biologischen Objekten, die in einer Matrixform angeordnet sind, die der Matrixform aus der Fig. 2A entspricht. zeigt in Aufsicht die Überlagerung der ersten und zweiten Träger aus den Fig. 2A und 2B bei oder nach Annäherung aneinander. zeigt in geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrophysiologischen Messanordnung, bei welcher der Wandbereich einer Apertur sich über der Oberseite eines zu Grunde liegenden Trägers erhebt. zeigen in schematischer und geschnittener Draufsicht verschiedene Querschnittsformen einer Apertur und des jeweils zu Grunde liegenden Wandbereichs. zeigen in analoger Art und Weise wie in Fig. 1A in schematischer und geschnittener Seitenansicht verschiedene Ausführungsformen für eine elektrophysiologische Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welchen eine jeweilige Apertur durch Wandbereiche gebildet werden, die Mantelflächen unterschiedlicher geometrischer Körper entsprechen. zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht verschiedene Aspekte des Einsatzes der erfindungsgemäßen elektrophysiologischen Messanordnung. zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht Details bei der Anlagerung eines biologischen Objekt an einer jeweiligen Ausführungsform der elektrophysiologischen Messanordnung. Embodiment of the electrophysiological measuring device according to the invention in various intermediate states in their use. 2A shows in plan view an embodiment of a first carrier having a matrix arrangement of a plurality of apertures. 11 shows in plan view an embodiment of a second carrier with an ensemble of adherent cells as biological objects arranged in a matrix form corresponding to the matrix form of FIG. 2A. shows in plan the superposition of the first and second carrier of FIGS. 2A and 2B at or after approaching each other. shows in sectional side view another embodiment of the electrophysiological measuring arrangement according to the invention, in which the wall portion of an aperture rises above the top of an underlying support. show in schematic and sectional plan view different cross-sectional shapes of an aperture and the respective underlying wall portion. show in a similar manner as in Fig. 1A in a schematic and sectional side view of various embodiments of an electrophysiological measuring device according to the present invention, in which a respective aperture are formed by wall portions which correspond to lateral surfaces of different geometric body. show in schematic and sectional side view various aspects of the use of the electrophysiological measuring device according to the invention. show in schematic and sectional side view details in the attachment of a biological object to a respective embodiment of the electrophysiological measuring arrangement.
Fig. 12 zeigt Graphen, welche Messergebnisse bei Einzelzellenmessungen unter Verwendung der erfindungsgemäjSen elektrophysiologischen Messanordnung und/oder des erfindungsgemäßen elektrophysio- logischen Messerverfahrens darstellen. FIG. 12 shows graphs showing measurement results in single-cell measurements using the electrophysiological techniques of the present invention Measuring arrangement and / or the electrophysiological logging method according to the invention.
Fig. 13 zeigt Messergebnisse bei sogenannten Einzelkanalmessungen un- ter Verwendung der erfindungsgemäjßen elektrophysiologischenFIG. 13 shows measurement results in so-called single channel measurements using the electrophysiological according to the invention
Messanordnung und/oder des erfindungsgemäßen elektrophysiologischen Messverfahrens. Measuring arrangement and / or the electrophysiological measuring method according to the invention.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Es werden im Folgenden im Detail Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert und wahlfrei zusammengestellt und miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert wer- den. Embodiments of the present invention will be described below in detail. All embodiments of the invention and also their technical features and properties can be isolated individually and combined randomly and combined with each other arbitrarily and without restriction.
Es werden nachfolgend - soweit nichts anderes gesagt ist - strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt. In the following, unless stated otherwise, structurally and / or functionally identical, similar or identically acting features or elements in connection with the figures are designated by the same reference numerals. Not every case of their occurrence repeats a detailed description of these features or elements.
Zunächst wird auf Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen. In der Elektrophysiologie wird unter anderem die Patch-Clamp-Technologie angewandt, um z.B. Ionenkanalanalysen für die Medikamententestung durchzuführen. Beim manuellen Patch-Clamp-Verfahren und dessen Verfeinerungen können - z.B. an Einzelzellen - elektrische Ströme und Spannungen gemessen werden, die - z.B. von Ionenkanälen - in den Membranen biologischer Zellen hervorgerufen werden. First of all, drawings are generally referred to. In electrophysiology, among other things, the patch-clamp technology is applied to e.g. Perform ion channel analyzes for drug testing. In the manual patch-clamp method and its refinements, e.g. on single cells - electrical currents and voltages are measured which - e.g. of ion channels - are caused in the membranes of biological cells.
Auf Grund der wachsenden Bedeutung elektrophysiologischer Untersuchungen und des personellen und zeitlichen Aufwandes bei deren Durchführung ist eine große Nachfrage nach automatisierten elektrophysiologischen Messtechniken und insbesondere nach planaren Patch-Clamp- und weiteren automatisierten Patch- Clamp- oder APC-Systemen entstanden. Due to the growing importance of electrophysiological examinations and the time and effort involved in their implementation, a great demand has arisen for automated electrophysiological measurement techniques and in particular for planar patch clamp and other automated patch clamp or APC systems.
Die Funktionsweisen beim manuellen Patch-Clamp-Verfahren und bei APC- Systemen sind grundlegend gleich. Problematisch ist bei beiden Systemtypen die Notwendigkeit der Ausbildung eines hochohmigen Abdichtwiderstandes zwischen der dem Messobjekt O, z.B. einer Zelle O, und der Messanordnung 100. Man spricht auch von der Notwendigkeit eines so genannten Gigaseals, also eines Abdichtwiderstands im Gigaohmbereich. Damit wird die elektrische Isolierung - z.B. des Zellinneren zum ZelläujSeren - z. B. durch eine Patchpipette oder Messapertur beschrieben, wie dies bei einer flächigen Zellanordnung, wie bei einem APC- Schema in den Fig. 9A bis 9E, 10 und 1 1 gezeigt ist. The functionalities of the manual patch-clamp procedure and APC systems are fundamentally the same. The problem with both types of systems is the necessity of forming a high-resistance sealing resistor between the measurement object O, for example a cell O, and the measuring arrangement 100. One also speaks of the need for a so-called gigaseal, that is to say a sealing resistance in the gigaohm range. Thus, the electrical insulation - eg the cell interior ZelläujSeren - z. As described by a patch pipette or measuring aperture, as shown in a flat cell array, such as in an APC scheme in Figs. 9A to 9E, 10 and 1 1.
Mittels einer Messapertur 14 wird eine Zelle als biologisches Objekt O ggf. angesaugt. Ein kleiner, begrenzter Teil der Zellmembran M, der als Patch bezeichnet wird, wird dabei mit einem leichten Unterdruck eingesogen. Dadurch wird bei der Cell-Attached-Messung gemäß Fig. 9B die Messfläche bzw. bei einer Whole-Cell- Messung gemäß Fig. 9D das Zellinnere im Mega- bis Gigaohmbereich zum Zelläu- J3eren hin elektrisch abgedichtet. Die Cell-Attached-Konfiguration ermöglicht eine Strommessung auch an einzelnen Ionenkanälen In der Zellmembran. By means of a measuring aperture 14, a cell may be aspirated as a biological object O. A small, limited part of the cell membrane M, which is referred to as a patch, is thereby drawn in with a slight negative pressure. As a result, in the cell-attached measurement according to FIG. 9B, the measuring surface or, in the case of a whole-cell measurement according to FIG. 9D, the cell interior is electrically sealed in the mega to gigaohm region towards the cell outer. The cell-attached configuration also allows current measurement on individual ion channels in the cell membrane.
Die Gigasealrate sowie der Abdichtwiderstand sind beim manuellen Patch-Clamp sowie bei den APC-Systemen ein Maß für die Qualität der möglichen Ionenkanal- messungen. Bis heute ist eine 100 %-ige Gigasealrate nicht möglich. Die Ausbildung des Gigaseals hängt von vielen Faktoren ab, die einer aktiven Beeinflussung bisher nicht zugänglich sind. The gigaseal rate and the sealing resistance of the manual patch clamp and the APC systems are a measure of the quality of the possible ion channel measurements. To date, a 100% gigaseal rate is not possible. The training of the Gigaseal depends on many factors that are not accessible to active influence.
Beim manuellen Patch-Clamp-Verfahren kann bisher nur mit frisch hergestellten Glaspipetten eine ausreichend hohe Gigasealrate erreicht werden. Bei der Ent- Wicklung von Chips für APC-Systeme muss auf eine Reduktion der Oberflächenrauhigkeit und auf eine Vermeidung scharfer Kanten geachtet werden. Weiter kann eine sorgfältige Kombination der intra- und extrazellulären Puffer zu einer Verbesserung des Gigaseals führen. Dies bietet jedoch durch die Notwendigkeit, physiologische Puffer verwenden zu müssen, nur begrenzte Möglichkeiten der Steuerung und Beeinflussung. With the manual patch clamp method, only a sufficiently high gigaseal rate can be achieved with freshly produced glass pipettes. When developing chips for APC systems, attention must be paid to reducing the surface roughness and avoiding sharp edges. Furthermore, a careful combination of the intracellular and extracellular buffers can lead to an improvement of the gigaseal. However, this has only limited possibilities of control and influence due to the need to use physiological buffers.
Die vorliegende Erfindung kann auch aufgefasst werden als Analysesystem, welches aus einer Zellkulturplattform für adhärente Zellen besteht und eine chipbasierte Analysehardware im Sinne eines Patch-Clamp-Chips aufweist, wobei eine, insbesondere elongierte. Patch-Pipette mit verbesserter Perfusionsmöglichkeit vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung kann insbesondere als System für Wirkstofftests in der Grundlagenforschung aber auch in der Wirkstoffforschung bei adhärenten und/oder vernetzten Zellen eingesetzt werden. Bei der Durchführung werden Zellen auf einer Zellkulturplattform im Sinne eines z.B. absenkbaren Stempels, der auch als zweiter Träger im Sinne der Erfindung bezeichnet werden kann, kultiviert und dann senkrecht auf den sogenannten Patch-Clamp-Chip, der auch als erster Träger im Sinne der Erfindung bezeichnet werden kann, abgesenkt. Gegebenenfalls wird durch mittels weiteren Ansaugens der Zellmembranen über die Patch-Pipetten, die auch als Apertur oder Aperturbereich im Sinne der Erfindung bezeichnet werden können, ein abdichtendes oder sealendes Anlagen, z.B. im Sinne eines Gigaseals erreicht, um dann sogenannte Patch-Clamp-Untersuchungen durchzuführen. Es ist auch denkbar, die Anordnung des Aufbaus umzukehren, und den Chip sowie die Analysehardware auf die adhärente Zellkultur auf dem zweiten Träger abzusenken. The present invention can also be understood as an analysis system which consists of an adherent cell culture platform and has a chip-based analysis hardware in the sense of a patch-clamp chip, wherein one, in particular elongated. Patch pipette with improved perfusion capability is provided. The present invention can be used in particular as a system for drug tests in basic research as well as in drug discovery in adherent and / or crosslinked cells. When carrying out cells on a cell culture platform in terms of eg lowerable punch, which can also be referred to as a second carrier in the context of the invention, cultivated and then perpendicular to the so-called patch clamp chip, which is also the first carrier in the context of the invention can be referred to lowered. Optionally, by means of further suction of the cell membranes via the patch pipettes, which can also be referred to as aperture or aperture region in the sense of the invention, a sealing or sealing equipment, for example in the sense of a Gigaseal reached, then to perform so-called patch-clamp investigations , It is also conceivable to reverse the arrangement of the structure, and to lower the chip and the analysis hardware to the adherent cell culture on the second carrier.
Beiden Varianten gemeinsam ist, dass Zellkultur und Analysechip, d.h. also zwei- ter Träger und erster Träger, bis kurz vor der eigentlichen Messung oder Patch- Clamp-Analyse voneinander räumlich getrennt sein können. Dies kann auch dazu dienen, z.B. die Zellen beim Kultivieren und kurz danach unter optimalen Bedingungen zu halten, wogegen der eigentliche Messprozess dann gegebenenfalls unter physiologischen nicht optimalen Bedingungen erfolgt und somit erst kurz vor der Messung eingenommen wird. Common to both variants is that the cell culture and analysis chip, i. that is, the second carrier and the first carrier can be spatially separated from one another until shortly before the actual measurement or patch clamp analysis. This may also serve, e.g. the cells during cultivation and shortly after to keep under optimal conditions, whereas the actual measurement process then optionally under physiological non-optimal conditions and thus takes place shortly before the measurement.
Einige der Vorteile der neuen Konzeption gemäß der vorliegenden Erfindung können wie folgt beschrieben: Es ergibt sich eine frei definierbare Absenkung oder Annäherung zwischen Stempel, also dem zweiten Träger, und dem Chip, also dem ersten Träger. Dies erlaubt ein einstellbares Perfusionsvolumen, und insbesondere dessen Minimierung und erlaubt auch eine einstellbare Perfusionsgeschwindigkeit zwischen Stempel, also zweitem Träger, und Chip, also erstem Träger. Some of the advantages of the new design according to the present invention can be described as follows: This results in a freely definable lowering or approach between stamp, so the second carrier, and the chip, so the first carrier. This allows an adjustable perfusion volume, and in particular its minimization, and also allows an adjustable perfusion speed between punch, ie second carrier, and chip, ie first carrier.
Die Perfusion kann im oder am Stempel oder Chip in Form von mikrofluidischen Kanälen und/oder Stegen integriert unterstützt werden. Mittels der gegebenenfalls sehr geringen Abstände zwischen Stempel und Chip, z.B. im Bereich von 5 bis 25 μπι, sind sehr kleine Volumina und sehr schnelle Austauschgeschwindigkeiten von Messlösungen oder Perfusionslösungen möglich. Damit ist auch ein schneller Austausch der dort enthaltenen Wirkstoffe denkbar. Aufbau, Materialien und Prozessierung des Chips oder ersten Trägers und/oder des zweiten Trägers erlauben das Ausbilden von sehr hohen Abdichtwiderständen oder von Seals, und zwar ins- besondere im sogenannten Gigaohmbereich. The perfusion can be supported integrated in or on the stamp or chip in the form of microfluidic channels and / or webs. By means of the possibly very small distances between punch and chip, for example in the range of 5 to 25 μπι, are very small volumes and very fast exchange rates of measuring solutions or perfusion solutions possible. Thus, a quick replacement of the active ingredients contained therein is conceivable. Construction, materials and processing of the chip or first carrier and / or the second carrier allow the formation of very high sealing resistances or seals, in particular in the so-called giga ohm range.
Durch Strukturierung des zweiten Trägers sind auch Perfusionen einzelner Streifenabschnitte, z.B. im Sinne von Pipettenstreifen, für adhärente Zellen möglich. Es können so genannte Positionierungsstege auf dem zweiten Träger oder Stempel und/oder dem ersten Träger oder Chip ausgebildet sein, welche eine Selbstjustierung und/oder Selbstorganisation bei der Ausrichtung zwischen erstem und zweitem Träger ermöglichen. Die erfindungsgemäjSe Technik erlaubt auch die Integration von sogenannten Anpressdrucksensoren, um das Absenken des Stempels zu automatisieren und damit kundenfreundlich zu gestalten. Dabei können Elemente aus der Piezotechnik eingesetzt sein, es können z.B. Piezoelemente als Drucksensoren in der Oberfläche des ersten Trägers und/oder des zweiten Trägers integriert ausgebildet sein, gege- benenfalls mit einer entsprechenden elektrischen Anbindung an eine vorgesehene Steuerelektronik. By structuring the second support, perfusions of individual stripe sections, e.g. in the sense of pipette strips, for adherent cells possible. It can be formed so-called positioning webs on the second carrier or stamp and / or the first carrier or chip, which allow self-alignment and / or self-organization in the alignment between the first and second carrier. The inventive technique also allows the integration of so-called contact pressure sensors to automate the lowering of the stamp and thus to make customer-friendly. In this case, elements of the piezoelectric technology can be used, it can, for. Piezo elements may be designed as pressure sensors integrated in the surface of the first carrier and / or the second carrier, if appropriate with a corresponding electrical connection to an intended control electronics.
Die Strukturen auf dem Chip oder erstem Träger und/oder dem Stempel oder zweiten Träger, insbesondere in der jeweiligen Oberfläche, können in Kanal- und/oder Stegform ausgebildet sein. Somit ist eine gezielte Versorgung mit Perfusionslösung oder Wirklösung an die zu untersuchenden biologischen Objekte, und insbesondere an zu vermessende Zellen, möglich. Der entsprechende Lösungsaustausch kann gegebenenfalls sehr schnell erfolgen. Die Bewegung von Stempel, also zweitem Träger, und/oder Chip, also erstem Träger, in den x-, y- und z- Richtungen sowie durch laterale Torsionsbewegung ist mittels computergestützter Algorithmik, die Berechnung einer optimalen Stempel- zu-Chip-Ausrichtung möglich, um eine maximale Anzahl adhärenter Zellen in Kontakt mit den chipintegrierten Patch-Pipetten, also den Aperturen, zu bringen. The structures on the chip or first carrier and / or the stamp or second carrier, in particular in the respective surface, may be formed in channel and / or web shape. Thus, a targeted supply of perfusion solution or active solution to the biological objects to be examined, and in particular to be measured cells possible. The appropriate solution exchange can optionally be done very quickly. The movement of punches, ie the second carrier, and / or chip, ie the first carrier, in the x, y and z directions and by lateral torsional motion is possible by means of computer-aided algorithmics, the calculation of an optimal punch-to-chip alignment to bring a maximum number of adherent cells in contact with the on-chip patch pipettes, so the apertures.
Insgesamt ergibt sich eine Erhöhung des Durchsatzes bei der Analyse adhärenter Zellen. Ferner ist die Trennung von Chip, also erstem Träger und Kultur, also zweitem Träger, sinnvoll, weil dadurch das Ausfallrisiko von Chips bei schlechten Kulturen vermieden wird. Des Weiteren erlaubt die Trennung von Chip, also erstem Träger und Kultur, also zweitem Träger, zur Messung die Positionierung von chemisch oder strukturell an die Plattform gebundenen Zellen direkt über den jeweiligen Patch- Pipetten oder Aperturen. Overall, there is an increase in throughput in the analysis of adherent cells. Furthermore, the separation of the chip, ie the first carrier and culture, ie the second carrier, makes sense, because it avoids the risk of chip failure in poor cultures. Furthermore, the separation of the chip, ie the first carrier and culture, ie the second carrier, allows the measurement of the positioning of cells chemically or structurally bound to the platform directly above the respective patch pipettes or apertures.
Die Abfolge der Fig. 1A bis IC zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrophysiologischen Messanordnung 100 in verschiedenen Zuständen, die bei der Verwendung der Messanordnung 100 eingenommen werden. Dabei ist zu beachten, dass die dort gewählte Darstellung gegebenenfalls nicht maßstabsgetreu ist. The sequence of FIGS. 1A to 1C shows, in a schematic and sectional side view, an embodiment of the electrophysiological measuring arrangement 100 according to the invention in various states which are adopted when using the measuring arrangement 100. It should be noted that the representation chosen there may not be true to scale.
Aus der Fig. 1A ergibt sich, dass mittels eines vorgesehenen Aktuators 80 entlang der Raumrichtung gemäß dem Pfeil Z ein erster Träger 12- 1 mit einer Unterseite 12- lb und einer Oberseite 12- la, welche aus einem Material 12-1' gebildet ist, relativ zu einem zweiten Träger 12-2 mit einer Unterseite 12-2a und einer Oberseite 12-2b und aus einem Material 12-2' bewegt werden kann, so dass eine definierte Annäherung zwischen dem ersten und zweiten Träger 12- 1 bzw. 12-2 in gesteuerter Art und Weise durchgeführt werden kann. Durch eine derart durchgeführte gesteuerte Annäherung wird auch das zu vermessende biologische Objekt O, welches an der Unterseite 12-2a des zweiten Trägers 12-2 angelagert ist, dem Aperturbereich 10 und der dort vorgesehenen Apertur 14 des ersten Trägers 12- 1 der Messanordnung 100 in gesteuerter Art und Weise nähergebracht. It can be seen from FIG. 1A that by means of an intended actuator 80 along the spatial direction according to the arrow Z, a first carrier 12-1 having a lower side 12-1b and an upper side 12-1a, which is formed from a material 12-1 ' , relative to a second carrier 12-2 with a bottom 12-2a and a top 12-2b and a material 12-2 'can be moved, so that a defined approach between the first and second carrier 12- 1 and 12, respectively -2 can be performed in a controlled manner. By means of such a controlled approach, the biological object O to be measured, which is attached to the underside 12-2a of the second carrier 12-2, becomes the aperture area 10 and the aperture 14 of the first carrier 12-1 of the measuring arrangement 100 provided therein controlled way closer.
Die in den Fig. 1A - IC gezeigte Struktur des zu untersuchenden biologischen Objekts O erfolgt hier nur repräsentativ im Sinne einer Einzelzelle. Stellvertretend dafür soll auch ein Ensemble biologischer Objekte im Sinne einer Zellkultur, eines Zellnetzwerks oder eines Zellrasens gemeint sein. The structure of the biological object O to be examined, which is shown in FIGS. 1A-1C, is only representative in the sense of an individual cell. Representative for it also an ensemble of biological objects in the sense of a cell culture, a cell network or a cell lawn is meant.
Im Zustand der Fig. 1A sind das zu untersuchende biologische Objekt O und der zweite Träger 12-2 noch vergleichsweise weit entfernt vom Aperturbereich 10 und der Apertur 14 und somit vom ersten Träger 12- 1. In dem in der Fig. 1B gezeigten Zwischenzustand hat durch die Betätigung des Aktuators 80 eine Annäherung des zweiten Trägers 12-2 mit dem zu untersuchenden biologischen Objekt O an den ersten Träger 12- 1 und somit an den Aperturbereich 10 und die Apertur 14 stattgefunden, so dass nunmehr der Wandbereich oder die Aperturwand 1 1 der Apertur 14 mit seinem oberen Rand l lo in Kontakt getreten ist mit der Membran M des zu untersuchenden biologischen Objekts O. In the state of FIG. 1A, the biological object O to be examined and the second support 12-2 are still relatively far away from the aperture region 10 and the aperture 14 and thus from the first support 12-1. In the intermediate state shown in FIG. 1B by the actuation of the actuator 80, an approximation of the second carrier 12-2 with the biological object to be examined O to the first carrier 12-1 and thus to the aperture area 10 and the aperture 14 takes place, so that now the wall area or the aperture wall 1 1 of the Aperture 14 has come into contact with its upper edge 11 lo with the membrane M of the biological object O to be examined.
Natürlich kann auch die Annäherung des ersten Trägers 12- 1 bei ruhendem zwei- ten Träger 12-2 an diesen erfolgen. Auch können beide Träger 12- 1 und 12-2 gemeinsam aufeinander zu bewegt werden. Ferner ist auch eine Umorientierung möglich, so dass der zweite Träger 12-2 mit den biologischen Objekten O in den Fig. 1A bis IC zuunterst liegt, dann aber mit seiner Seite 12-2a als Oberseite, und so, dass dann der erste Träger 12- 1 nach oben orientiert ist, dann aber mit dem Aperturbereich 10 und seiner Seite 12- la nach unten orientiert, nämlich der Seite 12-2a des zweiten Trägers 12-2 und dem zu untersuchenden biologischen Objekt O zugeordnet und zugewandt. Of course, the approximation of the first carrier 12-1 can also take place when the second carrier 12-2 is stationary. Also, both carriers 12-1 and 12-2 can be moved together toward each other. Furthermore, a reorientation is also possible, so that the second carrier 12-2 lies at the bottom with the biological objects O in FIGS. 1A to 1C, but then with its side 12-2a as the upper side, and so that then the first carrier 12 - 1 is oriented upwards, but then with the aperture area 10 and its side 12- la oriented downwards, namely the side 12-2a of the second carrier 12-2 and the biological object to be examined O associated and facing.
Im Übergang zum Zustand gemäß der Fig. IC wird dann vom Cell-Attached-Modus der Fig. 1B übergegangen zum Whole-Cell-Modus, nämlich durch Öffnen der Membran M des zu untersuchenden biologischen Objekts O, z.B. durch einen Druckstoß mit Unter druck über die Apertur 1 bei angelagertem Objekt O, z.B. im Zustand gemäjß der Fig. IB. Ausgehend von dem in Fig. IC dargestellten Zustand kann dann über die Anordnung aus Elektrode 50 und Gegenelektrode 30 über das Elektrolytbad 40 im Zwischenraum zwischen erstem und zweitem Träger 12- 1 und 12-2, dem Elektrolytbad 60 auf der Rückseite 12- lb des ersten Trägers, in welchem die Gegenelektrode 30 angeordnet ist, und dem Elektrolytband 70 im Lumen der Apertur 14 die elektrophysiologische Messung am zu untersuchenden Objekt O erfolgen, wie dies auch im Zusammenhang mit den Fig. 12 und 13 unten weiter dargestellt ist. In the transition to the state according to FIG. 1C, the cell-attached mode of FIG. 1B is then changed to the whole-cell mode, namely by opening the membrane M of the biological object O to be examined, e.g. by a pressure surge with negative pressure across the aperture 1 with attached object O, e.g. in the state according to FIG. IB. Starting from the state shown in FIG. 1C, the arrangement of electrode 50 and counterelectrode 30 via the electrolyte bath 40 in the intermediate space between the first and second supports 12-1 and 12-2, the electrolytic bath 60 on the rear side 12-1b of the first Carrier, in which the counter electrode 30 is arranged, and the electrolyte ribbon 70 in the lumen of the aperture 14 carried out the electrophysiological measurement on the object to be examined O, as is also further illustrated in connection with FIGS. 12 and 13 below.
Die Fig. 2A zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform eines ersten Trägers 12-1 und dessen Oberseite 12- la, bei welcher der Aperturbereich 10 eine Mehrzahl von Aperturen 14 aufweist, die nach Art eines Gitters oder einer Matrix, repräsentiert durch die gestrichelten Linien, an Gitterpunkten davon angeordnet sind. Grundsätzlich sind auch andere Topologien denkbar FIG. 2A shows in plan view an embodiment of a first carrier 12-1 and its upper side 12-la, in which the aperture region 10 has a plurality of apertures 14, which are in the manner of a grid or a matrix represented by the dashed lines Grid points thereof are arranged. Basically, other topologies are conceivable
Die Fig. 2B zeigt eine Durchsicht einer Ausführungsform des zweiten Trägers 12-2 und dessen Unterseite 12-2a, welche eine Mehrzahl zu untersuchender biologischer Objekte O aufweist, die ebenfalls nach Art einer Matrix oder eines Gitters, welche wieder durch gestrichelte Linien angedeutet sind, an entsprechenden Gitterpunkten davon liegen, wobei die Gitterpunkte zumindest in etwa den Gitterpunkten der Matrixanordnung für die Aperturen 14 des ersten Trägers 12- 1 ent- sprechen sollen, so dass jeder Apertur 14 des ersten Trägers 12- 1 direkt ein zu untersuchendes biologisches Objekt O auf der Unterselte 12-2a des zweiten Trägers 12-2 zugeordnet ist und bei der Annäherung der Unterseite 12-2a des zweiten Trägers 12-2 relativ zur Oberseite 12- la des ersten Trägers 12- 1 aneinander bei jeder Apertur 14 in Bezug auf das jeweils zugeordnete biologische Objekt eine Situation entsteht, wie sie im Zusammenhang mit der Abfolge der Fig. 1A bis IC für ein einzelnes Objekt O dargestellt ist. FIG. 2B shows a view of an embodiment of the second carrier 12-2 and its underside 12-2a, which has a plurality of biological objects O to be examined, which likewise are in the manner of a matrix or a grid, which are again indicated by dashed lines, lie at corresponding grid points thereof, wherein the grid points at least approximately correspond to the grid points of the matrix arrangement for the apertures 14 of the first carrier 12-1 to speak so that each aperture 14 of the first carrier 12-1 is directly associated with a biological object O to be examined on the lower surface 12-2a of the second carrier 12-2 and when approaching the lower surface 12-2a of the second carrier 12-2 relative to the upper side 12-la of the first carrier 12- 1 at each aperture 14 with respect to the respective associated biological object a situation arises, as shown in connection with the sequence of Figs. 1A to IC for a single object O.
Die Fig. 2C zeigt schließlich eine Überlagerung der Anordnungen aus den Fig. 2A und 2B, wobei jeweils einer der Aperturen 14 jeweils ein biologisches Objekt O zugeordnet ist, so dass bei Annäherung der ersten und zweiten Träger 12- 1 und 12-2 im Sinne der Fig. 1A bis IC eine so genannte Mehrfachanlagerung entsteht und eine Mehrzahl von oder sämtliche Individuen der zu untersuchenden biologischen Objekte O in einem Messaufbau gemeinsam oder nacheinander oder auch in Wechselwirkung miteinander elektrophysiologisch untersucht werden können. Finally, FIG. 2C shows a superimposition of the arrangements from FIGS. 2A and 2B, wherein in each case one of the apertures 14 is assigned a biological object O, so that when the first and second supports 12- 1 and 12-2 approach each other FIGS. 1A to 1C form a so-called multiple attachment and a plurality of or all individuals of the biological objects O to be examined can be examined electrophysiologically together or sequentially or also in interaction with one another in a measurement setup.
Fig. 3A zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrophysiologischen Messanordnung 100. FIG. 3A shows a schematic and sectional side view of another embodiment of the electrophysiological measuring arrangement 100 according to the invention.
Ein grundlegendes Element dieser Ausführungsform ist der erste Träger 12- 1 , der auch als erste Basis 12- 1 oder als erstes Substrat 12-2 bezeichnet werden kann. Dieser erste Träger 12-1 unterteilt ein während der Messung vorgesehenes Elektrolytbad 40, 60, 70 in mindestens zwei Kompartimente, wobei das erste Kompar- timent 60 der Unterseite 12- lb des ersten Trägers 12- 1 oder Substrats 12- 1 zugewandt ist und wobei das zweite Kompartiment 40 der Oberseite 12- la des ersten Trägers 12- 1 oder Substrats 12- 1 zugewandt ist. A basic element of this embodiment is the first carrier 12-1, which may also be referred to as the first base 12-1 or as the first substrate 12-2. This first carrier 12-1 divides an electrolytic bath 40, 60, 70 provided during the measurement into at least two compartments, the first compartment 60 facing the underside 12-1b of the first carrier 12-1 or substrate 12-1 and the second compartment 40 faces the top 12-1 of the first carrier 12-1 or substrate 12-1.
In den ersten Träger 12- 1 ist der so genannte Aperturbereich 10 eingearbeitet. Dieser weist mindestens eine Apertur 14 auf, nämlich z.B. nach Art eines Durchgangslochs, welches den ersten Träger 12-1 in seiner Dicken- oder Schichtstärkenrichtung, nämlich in der Richtung von der Oberseite 12- la zur Unterseite 12- lb, lokal vollständig durchdringt. Im Bereich der Apertur 14 ist ebenfalls ein Teil 70 des Elektrolytbads 40, 60, 70 vorgesehen. In the first carrier 12- 1, the so-called aperture area 10 is incorporated. This has at least one aperture 14, namely e.g. in the manner of a through-hole, which completely penetrates the first carrier 12-1 locally in its thickness or layer thickness direction, namely in the direction from the upper side 12-la to the lower side 12-lb. In the region of the aperture 14, a portion 70 of the electrolyte bath 40, 60, 70 is also provided.
Insgesamt gesehen besteht also zwischen der Oberseite 12- la und der Unterseite 12- lb über die Apertur 14 des Aperturbereichs 10 eine fluidmechanische Verbindung und entsprechend über die gegebenenfalls vorgesehene Leitfähigkeit des Elektrolytbads, häufig handelt es sich dabei in der Anwendung um eine physiologische Lösung, auch eine elektrische Verbindung. Overall, therefore, there is a fluid-mechanical connection between the upper side 12-la and the lower side 12-lb via the aperture 14 of the aperture region 10 and correspondingly via the optionally provided conductivity of the Elektrolytbads, it is often in the application of a physiological solution, including an electrical connection.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3A ist im oberseitigen Kompartiment 40 eine mit einer Leitung 51 angeschlossene Gegenelektrode 50 zu einer auf der Unterseite 12- lb des ersten Trägers 12- 1 vorgesehenen Messelektrode 30 angeordnet. Die Messelektrode 30 befindet sich also im unterseitigen Kompartiment 60 des Elektrolytbades 40, 60, 70 und ist mit einer Leitung 31 angeschlossen. Die Leitungen 51 und 31 zur Gegenelektrode 50 bzw. zur Messelektrode 30 sind an sich isoliert und führen zu einem entsprechenden Steuer- und Messkreis, der hier nicht dargestellt ist. In the embodiment according to FIG. 3A, a counterelectrode 50 connected to a line 51 is arranged in the upper-side compartment 40 to a measuring electrode 30 provided on the lower side 12-1b of the first carrier 12-1. The measuring electrode 30 is thus located in the lower compartment 60 of the electrolyte bath 40, 60, 70 and is connected by a line 31. The lines 51 and 31 to the counter electrode 50 and the measuring electrode 30 are isolated and lead to a corresponding control and measuring circuit, which is not shown here.
Das erste Substrat 12-1 oder der erste Träger 12- 1 werden von einem ersten Trägermaterial 12- 1 ' gebildet. The first substrate 12-1 or the first carrier 12-1 are formed by a first carrier material 12-1 '.
Der Wandbereich 1 1 als solcher bildet bei der Ausführungsform der Fig. 1A und 1B eine nach Art einer inneren Mantelfläche verlaufende geschlossene Wand mit einer Innenseite lOi, I ii oder Innenwand lOi, I ii und einer Außenseite 10a, I Ia oder Außenwand 10a, I Ia. Auf diese Art und Weise wird eine Apertur 14 des Aperturbereichs 10 der erfindungsgemäßen elektrophysiologischen Messanordnung 100 gebildet, wobei die Innenseite oder die Innenwand lOi. l li des Wandbereichs 1 1 der Apertur 14 zugewandt, die Außenwand oder Außenseite 10a, I Ia des Wandbereichs 1 1 dagegen der Apertur 14 abgewandt, jedoch dem Kompartiment 40 des Elektrolytbades 40, 60, 70 zugewandt ist. The wall region 11 as such forms in the embodiment of FIGS. 1A and 1B a closed wall running in the manner of an inner lateral surface with an inner side 10i, 11c or inner wall 10i, 11e and an outer side 10a, 11a or outer wall 10a, l Ia. In this way, an aperture 14 of the aperture region 10 of the electrophysiological measuring arrangement 100 according to the invention is formed, the inner side or the inner wall 10 '. On the other hand, the outer wall or outer side 10a, 11a of the wall region 11 faces away from the aperture 14, but faces the compartment 40 of the electrolyte bath 40, 60, 70.
Bei der Ausführungsform der Fig. 1A erhebt sich der Wandbereich 1 1 ausschließlich oberhalb der Oberseite 12- la des ersten Trägers oder Substrats 12- 1. Auf der Unterseite 12- lb des ersten Substrats oder Trägers 12- 1 ist der Aperturbereich 10 quasi planar ausgebildet. Eine derartige Struktur ist jedoch nicht zwingend und die Fig. 4 bis 8 zeigen diesbezüglich abgewandelte Ausführungsformen, die später im Detail beschrieben werden. In the embodiment of FIG. 1A, the wall region 11 rises exclusively above the upper side 12-1a of the first carrier or substrate 12-1. On the underside 12-1b of the first substrate or carrier 12-1, the aperture region 10 is formed quasi-planar , However, such a structure is not mandatory, and Figs. 4 to 8 show modified embodiments thereof, which will be described later in detail.
Wie oben erwähnt wurde, ist der Wandbereich 1 1 , welcher die Apertur 14 bildet, nach Art einer Mantelfläche eines geometrischen Körpers ausgebildet. Gemäß Fig. 3B kann in Zusammenschau mit der Fig. 3A diese Mantelfläche von einem senkrechten Kreiszylinder als Grundform stammen. As mentioned above, the wall portion 1 1, which forms the aperture 14, formed in the manner of a lateral surface of a geometric body. According to FIG. 3B, in conjunction with FIG. 3A, this lateral surface can originate from a vertical circular cylinder as a basic shape.
Die Ausbildung als Mantelfläche eines senkrechten Kreiszylinders als grundlegender Form ist nicht zwingend. Die Fig. 3C und 3D zeigen anstelle einer Zylinder- form In schematlscher Draufsicht als Grundfläche ein Quadrat, so dass sich räumlich ein senkrechtes quadratisches Prisma ergibt bzw. ein Prisma mit einer Grundfläche nach Art eines Ovals, quasi eines Quadrats oder Rechtecks mit abgerundeten Ecken, wie dies in Fig. 3D dargestellt ist. The training as a lateral surface of a vertical circular cylinder as a basic form is not mandatory. FIGS. 3C and 3D show, instead of a cylinder form a schematic plan view as the base square so that spatially results in a vertical square prism or a prism with a base in the manner of an oval, a quasi square or rectangle with rounded corners, as shown in Fig. 3D.
Es sind grundsätzlich beliebige Grundflächenformen denkbar. Jedoch bieten sich auf Grund der oben beschriebenen Umstände, bei welchen Oberflächenrauhigkei- ten und scharfe Kanten vermieden werden sollten, gerade Formen mit abgerundeten Strukturen an, also zum Beispiel die Ausgestaltung gemäß der Fig. 3B, welche als geometrische Grundform einen senkrechten Kreiszylinder besitzt. There are basically any base shapes imaginable. However, owing to the circumstances described above, in which surface roughness and sharp edges should be avoided, straight shapes with rounded structures are available, for example the embodiment according to FIG. 3B, which has a vertical circular cylinder as the geometric basic shape.
Die Fig. 4 und 5 zeigen analog zu Fig. 3A und ebenfalls in schematischer und geschnittener Seitenansicht andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messanordnung, bei welchen ein Unterschied dahingehend besteht, dass nämlich gemäß der Fig. 4 der Wandbereich 1 1 für die Apertur 14 bündig mit der Oberseite 12- la des ersten Substrats 12- 1 abschließt und ausschließlich über die Unterseite 12- lb des ersten Substrats 12- 1 hinaus hervorsteht, so dass insgesamt eine Art Einstülpung von der Oberseite 12- la nach innen zum Kompartiment 60 für die Apertur 14 entsteht. FIGS. 4 and 5 show, analogously to FIG. 3A and likewise in schematic and sectional side view, other embodiments of the measuring arrangement according to the invention, in which there is a difference in that, as shown in FIG. 4, the wall region 1 1 for the aperture 14 is flush with the Top 12- la of the first substrate 12-1 closes and protrudes exclusively on the bottom 12- lb of the first substrate 12-1 out, so that a total of a kind of invagination from the top 12- la inwardly to the compartment 60 for the aperture 14 is formed ,
Bei der Fig. 5 erhebt sich ein Teil des Wandbereichs 1 1 der Apertur 14 von der Oberseite 12- la des ersten Substrats 12- 1 aus in das Kompartiment 40, andererseits jedoch auch ein Teil des Wandbereichs 1 1 von der Unterseite 12- lb des ersten Substrats 12- 1 aus in das Kompartiment 60 hinein. 5, a portion of the wall portion 1 1 of the aperture 14 rises from the top 12- la of the first substrate 12- 1 in the compartment 40, on the other hand, however, a part of the wall portion 1 1 of the bottom 12- lb of first substrate 12-1 into the compartment 60.
Die Höhen über der Oberseite 12- la und über der Unterseite 12- lb, um welche sich der Wandbereich 1 1 für die Apertur 14 jeweils erhebt, können identisch sein. Dies ist aber nicht zwingend. In Fig. 5 sind sie unterschiedlich gestaltet. Bei den Ausführungsformen der Fig. 3 sowie 4 und 5 ist der Querschnitt oder Durchmesser entlang der Erstreckungsrichtung des Wandbereichs 1 1 senkrecht zur Oberseite 12- la bzw. senkrecht zur Unterseite 12- lb des ersten Substrats 12- 1 konstant in seinem Verlauf. Alternativ können sich verjüngende oder erweiternde Querschnittsverläufe vorgesehen werden. Dies ist in der Abfolge der Fig. 6 bis 8 dargestellt, wobei die Fig. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung zeigt, welche der Ausführungsformen der Fig. la bis C und 3A entspricht, jedoch mit einem Quer- schnlttsverlauf für die Apertur 14, der sich mit zunehmendem Abstand von der Oberseite 12- la des ersten Trägers 12- 1 verengt. The heights above the upper side 12-1a and above the lower side 12-1b, by which the wall area 11 for the aperture 14 each rise, may be identical. This is not mandatory. In Fig. 5, they are designed differently. In the embodiments of FIGS. 3 and 4 and 5, the cross section or diameter along the extension direction of the wall portion 1 1 is perpendicular to the top 12- la or perpendicular to the bottom 12- lb of the first substrate 12- 1 constant in its course. Alternatively, tapering or widening cross-sectional profiles can be provided. This is shown in the sequence of FIGS. 6 to 8, wherein FIG. 6 shows an embodiment of the measuring arrangement according to the invention, which corresponds to the embodiments of FIGS. 1 a to C and 3 A, but with a cross-section. For the aperture 14, which narrows with increasing distance from the upper side 12-la of the first carrier 12-1.
Bei der Ausführungsform der Fig. 7 ist dagegen analog dazu und im Vergleich zur Ausführungsformen der Fig. 1A bis C und 3A die Apertur 14 so ausgebildet, dass sich der Querschnittsverlauf mit Abstand von der Unterseite 12- lb des ersten Substrats 12 verjüngt. By contrast, in the embodiment of FIG. 7, the aperture 14 is designed analogously to this and, in comparison to the embodiments of FIGS. 1A to C and 3A, such that the cross-sectional profile tapers at a distance from the underside 12 - 1b of the first substrate 12.
In Kombination der Ausführungsformen der Fig. 6 und 7 und in analoger Sicht- weise zur Ausführungsform der Fig. 4 zeigt die Fig. 8 eine Apertur 14, bei welcher auf der Höhe des ersten Substrats 12- 1 der Durchmesser der Apertur 14 maximal ist und sich mit zunehmendem Abstand sowohl von der Oberseite 12- la des ersten Substrats 12- 1 als auch von der Unterseite 12- lb des ersten Substrats 12- 1 aus verjüngt. In a combination of the embodiments of FIGS. 6 and 7 and in an analogous view to the embodiment of FIG. 4, FIG. 8 shows an aperture 14 in which the diameter of the aperture 14 is at the height of the first substrate 12-1 and tapers with increasing distance both from the upper side 12-la of the first substrate 12-1 and from the lower side 12-1b of the first substrate 12-1.
Gemäß der Ausführungsform der Fig. 1A bis C und 3A ist die Messelektrode 30 mit dem Anschluss oder Leitung 31 stark benachbart und teilweise in den Aperturbereich 10 mit der Apertur 14 eingeführt ausgebildet. Die Position der Messelektrode 30 kann variiert sein, sie kann zum Beispiel stärker in den Elektro- lytbereich 70 in der Apertur 14 hineingeführt sein oder weiter davon entfernt werden. According to the embodiment of FIGS. 1A to C and 3A, the measuring electrode 30 is strongly adjacent to the lead 31 and partially inserted into the aperture region 10 having the aperture 14. The position of the measuring electrode 30 can be varied, for example, it can be more guided into the electrolyte region 70 in the aperture 14 or be removed further therefrom.
Die Fig. 9A bis 9E zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht verschiedene Messprinzipien, die bei der erflndungsgemäjßen elektrophysiologlschen Messanordnung 100 und dem entsprechenden erfindungsgemäjSen elektrophysiologlschen Messverfahren zum Tragen kommen können. FIGS. 9A to 9E show a schematic and sectional side view of various measuring principles that may be used in the electrophysiological measuring arrangement 100 according to the invention and the corresponding electrophysiological measuring method according to the invention.
Ausgehend von der in Fig. 9A dargestellten Situation, bei welcher durch ein leichtes Ansaugen des Elektrolytbades 40, 60, 70 durch die Messapertur 14, also mit einem Sog vom Kompartiment 40 über das Kompartiment 70 in der Apertur 14 zum Kompartiment 60 hin, wird ein biologisches Objekt O, in diesem Fall zum Beispiel eine Zelle, angesaugt und an die Apertur 14 angenähert. Starting from the situation shown in Fig. 9A, in which by a slight suction of the electrolyte bath 40, 60, 70 through the measuring aperture 14, ie with a suction from the compartment 40 via the compartment 70 in the aperture 14 to the compartment 60 out, is a biological object O, in this case, for example, a cell sucked and approximated to the aperture 14.
Der Mechanismus des Annäherns kann auch auf eine andere manipulative Art und Weise erfolgen, zum Beispiel mittels einer separaten Pipette, einer Laserpinzette oder dergleichen. The mechanism of approach may also be done in another manipulative manner, for example by means of a separate pipette, laser tweezers or the like.
Über einen leichten Unterdruck wird gemäß Fig. 9B die Zelle ohne jegliche Zerstörung und komplett an die Messapertur 14 angelagert. Wird in diesem Zustand eine Messung durchgeführt, so spricht man vom so genannten Cell-Attached- Modus. By means of a slight negative pressure, according to FIG. 9B, the cell is deposited without any destruction and completely on the measuring aperture 14. Will in this state a measurement is performed, this is called the cell-attached mode.
Durch einen mechanischen Zug kann, ausgehend von der in Fig. 9B beschriebe- nen Situation ein Membranfleck aus der Membran des biologischen Objekts O herausgerissen werden, so dass gemäß Fig. 9C der herausgerissene Membranfleck, ein so genannter Patch, im abgedichteten oder gesealte Zustand in der Messapertur 14 verbleibt und das eigentlich Messobjekt O bildet. Dabei zeigt durch das Herausreißen die vorher im Inneren angeordnete Seite des Memb- ranflecks nach außen, also zum Kompartiment 40 hin. Aus diesem Grund heißt dieser Messmodus auch Inside-Out-Modus. By means of a mechanical pull, starting from the situation described in FIG. 9B, a membrane spot can be torn out of the membrane of the biological object O, so that according to FIG. 9C the torn-out membrane patch, a so-called patch, in the sealed or seamed state in FIG the measuring aperture 14 remains and actually forms the measuring object O. As a result of the tearing out, the side of the membrane spot previously arranged in the interior points outwards, ie towards the compartment 40. For this reason, this measurement mode is also called Inside-Out mode.
Andererseits kann, ausgehend von der in Fig. 9B dargestellten Situation durch einen erneuten Unterdruck, nämlich z.B. nach Art eines Druckstoßes die Zelle O insgesamt geöffnet werden, so dass ein Übergang stattfindet vom so genannten Cell-Attached-Modus zum Whole-Cell-Modus gemäß Fig. 9D, bei dem die Messelektrode 30 direkten Zugriff auf das gesamte Zellinnere hat. Das heißt, das Zellinnere ist zu den Kompartimenten 70 und 60 hin geöffnet, gegenüber dem Kompartiment 40 jedoch im Wesentlichen isoliert. On the other hand, starting from the situation shown in Fig. 9B, it can be replaced by a new negative pressure, e.g. the cell O are opened in the manner of a pressure surge so that a transition takes place from the so-called cell-attached mode to the whole-cell mode according to FIG. 9D, in which the measuring electrode 30 has direct access to the entire cell interior. That is, the cell interior is open to compartments 70 and 60, but substantially isolated from compartment 40.
Von der Situation gemäß der Fig. 9D, nämlich dem Whole-Cell-Modus kann durch mechanischen Zug erreicht werden, dass wiederum ein Membranfragment aus der Membran des biologischen Objekts herausgerissen wird. Da vorher der Whole- Cell-Modus vorlag, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür, dass dabei der herausgerissene Membranfleck derart in der Messapertur 14 verbleibt, dass er als eigentliches Messobjekt O dienen kann und dabei gemäß Fig. 9E die Außenseite der Zellmembran oder der Membran des biologischen Objekts auch außen verbleibt. In diesem Fall spricht man vom Outside-Out-Modus der Messanordnung 100. From the situation according to FIG. 9D, namely the whole-cell mode, it can be achieved by mechanical pulling that in turn a membrane fragment is torn out of the membrane of the biological object. Since the whole-cell mode was present before, there is a certain probability that the torn-out membrane spot remains in the measuring aperture 14 in such a way that it can serve as the actual measuring object O and thereby according to FIG. 9E the outside of the cell membrane or the membrane of the membrane biological object also remains outside. In this case, one speaks of the outside-out mode of the measuring arrangement 100.
Fig. 10 zeigt im Detail die geometrische Situation, die bei einem abgedichteten oder sealenden Anlagern eines zu vermessenen biologischen Objekts O zwischen dessen Membran M und der Messapertur 14 und insbesondere der Innenwand lOi, I ii des Wandbereichs 1 1 vorliegt. 10 shows in detail the geometrical situation which is present in the case of a sealed or sealing attachment of a biological object O to be measured between its membrane M and the measuring aperture 14 and in particular the inner wall 10i, 11b of the wall area 11.
Beim Modus der Fig. 10 handelt es sich erneut um einen Whole-Cell-Modus, bei welchem die gesamte Zelle O mit ihrem Inneren zur Messelektrode 30 und zu den Elektrolytkompartimenten 60 und 70 hin geöffnet ist. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäjßen elektrophysiolgischen Messanordnung 100 ist hier nach Art einer Patchpipette ausgestaltet. The mode of FIG. 10 is again a whole-cell mode in which the entire cell O is opened with its interior towards the measuring electrode 30 and towards the electrolyte compartments 60 and 70. This embodiment of the The electrophysiolgic measuring arrangement 100 according to the invention is designed here in the manner of a patch pipette.
Erfindungsgemäß wird der Abdichtwiderstand zwischen der Zellmembran M des zu vermessenden biologischen Objekts O und der Innenwand lOi, I ii des Wandbereichs 1 1 der Messapertur 14 dadurch verbessert, dass nach gesteuerter Annäherung des biologischen Objekts O mittels des zweiten Trägers 12-2 über den Ak- tuator 80 die Wechselwirkung mit der Außenseite der Membran M des biologischen Objekts O gefördert wird. According to the invention, the sealing resistance between the cell membrane M of the biological object O to be measured and the inner wall 10i, 11b of the wall area 11 of the measuring aperture 14 is improved in that after controlled approach of the biological object O by means of the second carrier 12-2 via the contact tuator 80 the interaction with the outside of the membrane M of the biological object O is promoted.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 ist das erste Substrat oder der erste Träger 12- 1 vermittelt durch das zweite Substrat oder den zweiten Träger 12-2 quasi von einer Schicht von Zellen O' belegt. Über die Wechselwirkung unter Einsatz des erfindungsgemäß mit der Aperturwand 1 1 ist eine einzelne Zelle O des Ensembles von Zellen O' als Messobjekt im Whole-Cell-Modus analog zur Situation gemäß Fig. 9D bei verbesserter abdichtender oder sealender Anlagerung einer elektro- physiologischen Messung zugänglich. In the embodiment according to FIG. 10, the first substrate or the first carrier 12-1 mediated by the second substrate or the second carrier 12-2 is quasi occupied by a layer of cells O '. By means of the interaction with the aperture wall 11 according to the invention, a single cell O of the ensemble of cells O 'as a measurement object in whole-cell mode is accessible analogously to the situation according to FIG. 9D with improved sealing or sealing attachment of an electrophysiological measurement ,
Fig. 1 1 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßen Messanordnung 100, bei der der eine Apertur 14 bildende Wandbereich 1 1 von einem Rand oder Randbereich gebildet wird, so dass die Apertur 14 quasi als planares Loch in dem zu Grunde liegenden ersten Substrat oder Träger 12- 1 ausgebildet ist, um das Anlagern zu fördern und den Abdichtwiderstand zu steigern. 11 shows an arrangement of the measuring arrangement 100 according to the invention, in which the wall region 1 1 forming an aperture 14 is formed by an edge region, so that the aperture 14 acts as a planar hole in the underlying first substrate or substrate 12. 1 is designed to promote the attachment and increase the sealing resistance.
Die Fig. 12 zeigt im oberen und unteren Bereich jeweils einen Graphen mit einer Mehrzahl von Messkurven, die mit einer elektrophysiologischen Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung abgeleitet wurden, wobei es sich bei den zu untersuchenden biologischen Objekten um Neuronen, also Nervenzellen handelt und wobei die Messkurven die so genannten evozierten Potentiale in deren zeitlichem Verlauf demonstrieren. Dabei wird über die Anordnung von Elektrode 50 und Gegenelektrode 30 bei an der Messapertur 14 angelagertem Neuron als biologischem Objekt O initial ein Spannungspuls appliziert und dann die Zellantwort im Sinne eines abgeleiteten Potentials in deren zeitlichem Verlauf gemessen. Die beiden Graphen der Fig. 12 zeigen in Überlagerung ein Vielzahl derartiger Verläufe evozierter Potentiale bei verschieden hohen initialen Spannungspulsen unter verschiedenen Bedingungen. Die Fig. 13 demonstriert eine so genannte Einzelkanalmessung an einer einzelnen Zelle unter Verwendung der elektrophysiologischen Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei wird eine einzelne Zelle als zu untersuchendes biologisches Objekt O einer einzelnen Apertur 14 zugeführt, so dass sich eine abdichtende Anlagerung, also ein Gigaseal, ergibt. Es entsteht somit eine Situation, wie sie in der Abfolge der Fig. 1A bis IC dargestellt ist. Dann wird unter physiologischen oder anderen Bedingungen der zeitliche Verlauf der elektrischen Potentialdifferenz über die Memb- ran M gemessen. In der Zellmembran gibt es so genannte Kanal bildende Proteine. Diese haben - grob gesprochen - die Eigenschaft, in einem offenen oder in einem geschlossenen Zustand vorliegen zu können. Im offenen Zustand können Ionen, gegebenenfalls selektiv, wie durch eine Pore hindurch strömen. Im geschlossenen Zustand ist dies nicht möglich, die Pore ist dann verschlossen. FIG. 12 shows in the upper and lower regions respectively a graph with a plurality of measurement curves which were derived with an electrophysiological measurement arrangement according to the present invention, wherein the biological objects to be examined are neurons, ie nerve cells, and wherein the measurement curves demonstrate the so-called evoked potentials in their time course. In this case, a voltage pulse is applied via the arrangement of the electrode 50 and counterelectrode 30 when the neuron is attached to the measuring aperture 14 as a biological object O initially and then the cell response is measured in terms of a derived potential over its time course. The two graphs of FIG. 12 superimpose a large number of such evoked potentials at different initial voltage pulses under different conditions. FIG. 13 demonstrates a so-called single-channel measurement on a single cell using the electrophysiological measurement arrangement according to the present invention. In this case, a single cell is supplied as a biological object to be examined O a single aperture 14, so that there is a sealing attachment, ie a gigaseal. Thus, there arises a situation as shown in the sequence of Fig. 1A to IC. Then, under physiological or other conditions, the time profile of the electrical potential difference across the membrane M is measured. There are so-called channel-forming proteins in the cell membrane. Roughly speaking, these have the property of being in an open or closed state. In the open state, ions, optionally selectively, may flow through a pore. When closed, this is not possible, the pore is then closed.
Unter konstanten Bedingungen ergibt sich im offenen Zustand ein ganz bestimmter Ionenstrom über die Membran, der als elektrischer Strom von bestimmter Höhe und bestimmter Richtung gemessen werden kann. Dieser muss bei gleichen Kanal bildenden Proteinen und konstanten Bedingungen gleich oder in etwa gleich sein. Under constant conditions, in the open state, a very specific ion current flows across the membrane, which can be measured as an electric current of a certain height and direction. This must be the same or approximately the same for channel-forming proteins and constant conditions.
Fig. 13 demonstriert nun eine so genannte Einzelkanalmessung an einer Zelle, wobei die durchgezogene Linie „0" die so genannte Stromnulllinie darstellt und den Zustand repräsentiert, bei welchem kein einziger Kanal in der Zellmembran im geöffneten Zustand vorliegt, also netto kein Ionenstrom über die Membran M fließt. Man erkennt deutlich, dass - von der Nulllinie„0" ausgehend - verschiedene Zwischenzustände vorliegen, bei denen im Verlauf des elektrischen Stroms bestimmte Abstände zur Nulllinie vorliegen. Die gestrichelte Linie " 1 " zeigt Zustände an, bei welchen ein einzelner Kanal geöffnet ist, wogegen die gestrichelte Linie "2" Zustände anzeigt, bei welchen gleichzeitig zwei Kanäle geöffnet sind. Bezugszeichenliste Fig. 13 now demonstrates a so-called single-channel measurement on a cell, wherein the solid line "0" represents the so-called zero current line and represents the state in which there is no single channel in the cell membrane in the open state, so net no ion current across the membrane M is clearly visible, that - starting from the zero line "0" - there are various intermediate states in which there are certain distances to the zero line in the course of the electric current. The dashed line "1" indicates states in which a single channel is opened, whereas the dashed line "2" indicates states in which two channels are simultaneously opened. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Aperturbereich 10 aperture area
10a Außenwand, Außenwandbereich, Außenseite des Aperturbereichs 10 lOi Innenwand, Innenwandbereich, Innenseite des Aperturbereichs 10 10 a outer wall, outer wall area, outside of the aperture area 10 10 inner wall, inner wall area, inside of the aperture area 10
1 1 Wandbereich, Wand, Aperturwand 1 1 wall area, wall, aperture wall
I Ia Außenwand, Außenwandbereich, Außenseite des Wandbereichs 1 1 1 Ii Innenwand, Aperturinnenwand, Innenwandbereich, Innenseite des  I Ia outer wall, outer wall area, outside of the wall area 1 1 1 Ii inner wall, Aperturinnenwand, inner wall area, inside the
Wandbereichs 1 1  Wall area 1 1
l lo oberer Rand/Oberkante Außenwand, Außenwandbereich, Außenseite der l lo upper edge / top edge outer wall, outer wall area, outside of
Aperturwand 1 1  Aperture wall 1 1
l lu unterer Rand /Unter kante Außenwand, Außenwandbereich, Außenseite der Aperturwand 11 l lu lower edge / lower edge outer wall, outer wall area, outside of the aperture wall 11
12- 1 erster Träger, erste Basis, erstes Grundsubstrat, erstes Substrat 12- 1 first carrier, first base, first base substrate, first substrate
12- 1' Trägermaterial, Substratmaterial erster Träger 12- 1 12-1 'carrier material, substrate material of first carrier 12-1
12- la Oberseite, Vorderseite erster Träger 12- 1 12- la top, front of the first carrier 12- 1
12- lb Unterseite, Rückseite erster Träger 12- 1 12- lb bottom, back of first support 12- 1
12-2 zweiter Träger, zweite Basis, zweites Grundsubstrat, zweites Substrat 12-2' Trägermaterial, Substratmaterial zweiter Träger 12-2  12-2 second carrier, second base, second base substrate, second substrate 12-2 'carrier material, substrate material second carrier 12-2
12-2a Oberseite, Vorderseite zweiter Träger 12-2 12-2a top, front of second carrier 12-2
12-2b Unterseite, Rückseite zweiter Träger- 12-2 12-2b base, back side 12-2 second
14 Apertur, Messapertur 14 aperture, measuring aperture
20 Bereich mit modifizierter, insbesondere erhöhter Konzentration; konzent- rationsmodifizierter Bereich  20 area with modified, in particular increased concentration; Concentration-modified area
30 Messelektrode, Messelektrodenanordnung 30 measuring electrode, measuring electrode arrangement
31 Messleitung, Leitung  31 measuring line, line
40 Elektrolytkompartiment, Elektrolytbad  40 electrolyte compartment, electrolyte bath
50 Gegenelektrode, Gegenelektrodenanordnung  50 counter electrode, counter electrode arrangement
51 Leitung  51 line
40 Elektrolytkompartiment, Elektrolytbad zur Oberseite 12- la des ersten 40 Elektrolytkompartiment, electrolyte bath to the top 12 la of the first
Trägers 12- 1  Carrier 12-1
60 Elektrolytkompartiment, Elektrolytbad zur Rückseite 12- lb des ersten  60 electrolyte compartment, electrolyte bath to the rear 12- lb of the first
Trägers 12- 1  Carrier 12-1
70 Elektrolytkompartiment, Elektrolytbad im Lumen der Apertur 14  70 electrolyte compartment, electrolyte bath in the lumen of the aperture 14
80 Aktuator 80 actuator
100 elektrophysiologische Messanordnung  100 electrophysiological measuring arrangement
M Membran des biologischen Objekts O M membrane of the biological object O
O biologisches Objekt, Zelle, Liposom, Vesikel, Mizelle, Oozyt, Messobjekt O' biologisches Objekt, Zelle, Liposom, Vesikel, Mizelle, Oozyt x Raumrichtung O biological object, cell, liposome, vesicle, micelle, oocyte, target O 'biological object, cell, liposome, vesicle, micelle, oocyte x spatial direction
X Rotationsachse  X rotation axis
y Raumrichtung y spatial direction
Y Rotationsachse Y rotation axis
z Raumrichtung z spatial direction
Z Rotationsachse  Z rotation axis

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrophysiologische Messanordnung (100), 1. electrophysiological measuring arrangement (100),
(a) mit einem ersten Träger (12- 1) mit einem Aperturbereich (10), welcher im Bereich des ersten Trägers (12- 1) zum gesteuerten abdichtenden Anlagern eines biologischen Objekts (O) ausgebildet ist und welcher dazu mit mindestens einer Apertur (14) sowie mit einem Wandbereich (1 1) ausgebildet ist, welcher die Apertur (14) bildend umgibt, und  (a) with a first support (12-1) having an aperture region (10) which is formed in the region of the first support (12-1) for the controlled sealing attachment of a biological object (O) and which is provided with at least one aperture ( 14) and with a wall portion (1 1) is formed, which surrounds the aperture (14), and
(b) mit einem zweiten Träger ( 12-2), welcher zumindest auf einer dem ersten Träger (12- 1) zugeordneten Seite (12-2a) zur adhärenten Anlagerung und/oder Kultivierung zu untersuchender biologischer Objekte (O) ausgebildet ist,  (b) with a second carrier (12-2) which is formed at least on a side (12-2a) associated with the first carrier (12-1) for the adherence and / or culturing of biological objects (O) to be examined,
(c) wobei der erste und der zweite Träger (12- 1 , 12-2) - insbesondere steuerbar - mit der dem ersten Träger (12- 1) zugeordneten Seite ( 12-2a) des zweiten Trägers ( 12-2) dem ersten Träger ( 12- 1) und dem Aperturbereich (10) des ersten Trägers (12- 1) im Wesentlichen zugewandt an einander annäherbar ausgebildet sind.  (c) wherein the first and the second carrier (12- 1, 12-2) - in particular controllable - with the said first carrier (12- 1) associated side (12-2a) of the second carrier (12-2) the first Carrier (12- 1) and the aperture region (10) of the first carrier (12- 1) are formed substantially facing one another at an approachable.
2. Elektrophysiologische Messanordnung (100) nach Anspruch 1 , 2. Electrophysiological measuring arrangement (100) according to claim 1,
welche zur Annäherung des ersten Trägers (12- 1) und/oder des zweiten Trägers (12-2) in Bezug aufeinander - insbesondere in gesteuerter Art und Weise - mindestens einen Aktuator (80) aufweist, durch welchen der erste Träger (12- 1) und/oder der zweite Träger (12-2) relativ zueinander gesteuert bewegbar sind, und/oder Mittel zur Selbstorganisation, Selbstnivellierung, und/oder Selbstjustierung bei der Annäherung und/oder Ausrichtung, insbesondere Positioniermarken oder -stege, Kontakt- oder Andrucksensoren.  which for the approach of the first carrier (12-1) and / or the second carrier (12-2) with respect to each other - in particular in a controlled manner - at least one actuator (80) through which the first carrier (12-1 ) and / or the second carrier (12-2) are movable relative to each other, and / or means for self-organization, self-leveling, and / or self-adjustment in the approach and / or alignment, in particular positioning marks or webs, contact or pressure sensors.
3. Elektrophysiologische Messanordnung (100) nach Anspruch 2, 3. electrophysiological measuring arrangement (100) according to claim 2,
bei welcher der jeweilige Aktuator (80) zu einer linearen Verschiebung des ersten Trägers ( 12- 1) und/oder des zweiten Trägers ( 12-2) entlang einer oder mehrerer der drei Raumrichtungen (x, y, z) und/oder zur Rotation des ersten Trägers (12- 1) und/oder des zweiten Trägers ( 12-2) um ein oder mehrere den drei Raum- richtungen (x, y, z) entsprechenden Rotationsachsen (X, Y, Z) ausgebildet ist.  in which the respective actuator (80) results in a linear displacement of the first carrier (12-1) and / or the second carrier (12-2) along one or more of the three spatial directions (x, y, z) and / or for rotation of the first carrier (12-1) and / or of the second carrier (12-2) is formed around one or more axes of rotation (X, Y, Z) corresponding to the three spatial directions (x, y, z).
4. Elektrophysiologische Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, 4. Electrophysiological measuring arrangement (100) according to one of the preceding claims,
bei welcher zumindest die dem ersten Träger (12- 1) zugeordnete Seite ( 12- 2a) des zweiten Trägers (12-2) mit oder aus einem weichen und/oder flexiblen Material, insbesondere mit oder aus PDMS oder dergleichen ausgebildet ist. in which at least the side (12-2a) of the second carrier (12-2) associated with the first carrier (12-1) is formed with or made of a soft and / or flexible material, in particular with or from PDMS or the like.
5. Elektrophysiologische Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, 5. Electrophysiological measuring arrangement (100) according to one of the preceding claims,
bei welcher der Aperturbereich (10) im Bereich des ersten Trägers (12- 1), der eine Oberseite ( 12- la) und eine Unterseite (12- lb) aufweist, ausgebildet ist und  in which the aperture region (10) is formed in the region of the first carrier (12-1), which has an upper side (12-1a) and a lower side (12-1b), and
bei welcher ein jeweiliger eine Apertur (14) bildender Wandbereich (1 1) in Bezug auf die Oberseite (12- la) und/oder in Bezug auf die Unterseite (121 -b) des ersten Trägers (12- 1) teilweise oder vollständig hervorsteht.  in which a respective wall region (1 1) forming an aperture (14) protrudes partially or completely with respect to the upper side (12-la) and / or with respect to the lower side (121 -b) of the first carrier (12-1) ,
6. Elektrophysiologische Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, 6. Electrophysiological measuring arrangement (100) according to one of the preceding claims,
bei welcher ein eine Apertur (14) bildender Wandbereich (1 1) nach Art einer Mantelfläche oder als Kombination von Mantelflächen ausgebildet ist, insbesondere jeweils auf der Grundlage eines Mantels eines Zylinders, eines Prismas, eines Kegelstumpfs und/oder eines Pyramidenstumpfs und/oder  in which a wall region (11) forming an aperture (14) is designed in the manner of a lateral surface or as a combination of lateral surfaces, in particular based on a jacket of a cylinder, a prism, a truncated cone and / or a truncated pyramid and / or
bei welcher ein eine Apertur (14) bildender Wandbereich ( 1 1) mit oder aus einem Material aus der Gruppe von Materialien ausgebildet ist, welche Glas, Quarzglas, Silizium, Kohlenstoff und deren Kombinationen aufweist.  in which a wall region (11) forming an aperture (14) is formed with or from a material from the group of materials comprising glass, quartz glass, silicon, carbon and combinations thereof.
7. Elektrophysiologische Messanordnung ( 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, 7. Electrophysiological measuring arrangement (100) according to one of the preceding claims,
bei welcher der Durchmesser der Apertur (14) und insbesondere der Innendurchmesser des die Apertur (14) bildenden Wandbereichs (1 1) einen Wert im Bereich von etwa 1 μπι bis etwa 50 μπι aufweist und/oder  in which the diameter of the aperture (14) and in particular the inner diameter of the aperture (14) forming wall portion (1 1) has a value in the range of about 1 μπι to about 50 μπι and / or
bei welcher der eine Apertur (14) bildende Wandbereich ( 1 1) über der Oberseite (12- la) oder der Unterseite (12- lb) des ersten Trägers (12- 1) eine Höhe oder Tiefe im Bereich von etwa 0 μπι bis etwa 20 μηα aufweist.  at which of the one aperture (14) forming wall portion (1 1) above the top (12- la) or the bottom (12- lb) of the first carrier (12- 1) a height or depth in the range of about 0 μπι to about 20 μηα has.
8. Elektrophysiologische Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, 8. Electrophysiological measuring arrangement (100) according to one of the preceding claims,
bei welcher eine Messelektrode (30) im Bereich (70) oder innerhalb der Apertur (14) oder in einem Bereich (60) auf der Unterseite (12- lb) des ersten Trägers ( 12- 1) vorgesehen ist und  in which a measuring electrode (30) in the region (70) or within the aperture (14) or in a region (60) on the underside (12- lb) of the first carrier (12- 1) is provided and
bei welcher eine Gegenelektrode (50) außerhalb der Apertur (14) und im Bereich (40) auf der Oberseite (12- la) des ersten Trägers ( 12- 1) vorgesehen ist.  in which a counter-electrode (50) is provided outside the aperture (14) and in the region (40) on the upper side (12-la) of the first carrier (12-1).
9. Elektrophysiologische Messanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Aperturbereich ( 10) des ersten Trägers (12- 1) eine Mehrzahl von Aperturen (14) aufweist, insbesondere in einer Anordnung nach Art eines Gitters oder einer Matrix und/oder analog organotypischer Formen wie z.B. des Hip- pocampus oder anderer biologischer Strukturen, und 9. Electrophysiological measuring arrangement (100) according to one of the preceding claims, in which the aperture region (10) of the first carrier (12-1) has a plurality of apertures (14), in particular in a grid or matrix-like arrangement and / or analogous organotypic forms such as the hippocampus or other biological Structures, and
bei welcher der zweite Träger (12-2) auf der dem ersten Träger ( 12- 1) zugeordneten Seite (12-2a) eine der Anordnung der Mehrzahl von Aperturen (14) entsprechende Anordnung von Positionierausnehmungen und/ oder -vorsprüngen zur Aufnahme und/oder Fixierung eines biologischen Objekts (O) aufweist,  wherein the second carrier (12-2) on the side (12-2a) associated with the first carrier (12-1) has an arrangement of positioning recesses and / or projections corresponding to the arrangement of the plurality of apertures (14) and / or or fixation of a biological object (O),
wobei insbesondere direkt benachbarte Positionierausnehmungen und/oder - orsprünge jeweils durch einen Kanal und/oder Steg in der dem ersten Träger (12- 1) zugeordneten Seite (12-2a) verbunden sind.  wherein, in particular, directly adjacent positioning recesses and / or projections are respectively connected by a channel and / or web in the side (12-2a) associated with the first carrier (12-1).
10. Elektrophysiologisches Messverfahren unter Verwendung einer elektrophy- siologischen Messanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 10. An electrophysiological measuring method using an electrophysiological measuring arrangement (100) according to one of claims 1 to 9,
welches die Schritte aufweist:  which has the steps:
(1) Bereitstellen des ersten Trägers (12- 1) und des zweiten Trägers (12-2) in einem fluiden Messmedium (40),  (1) providing the first carrier (12-1) and the second carrier (12-2) in a fluid measuring medium (40),
(2) Bereitstellen des zweiten Trägers (12-2) mit adhärierten oder suspendierten biologischen Objekten (O) auf dem zweiten Träger (12-2), gegebenenfalls durch kultivieren der biologischen Objekte (O) auf dem zweiten Träger (12- 1),  (2) providing the second support (12-2) with adhered or suspended biological objects (O) on the second support (12-2), optionally by culturing the biological objects (O) on the second support (12-1),
(3) Positionieren und Ausrichten der ersten und zweiten Träger ( 12- 1 , 12-2) zueinander, insbesondere in gesteuerter Art und Weise, und dabei - insbesondere gesteuertes - Annähern der ersten und zweiten Träger (12-1 , 12-2) aneinander derart, dass dadurch mindestens ein biologisches Objekt (O) dem Bereich mindes- tens einer Apertur (14) angenähert wird, so dass ein Kontakt zwischen der Membran (M) des biologischen Objekts (O) und der Apertur (14) zumindest unmittelbar erfolgen kann oder erfolgt,  (3) positioning and aligning the first and second supports (12-1, 12-2) with each other, in particular in a controlled manner, and thereby - in particular controlled - approaching the first and second supports (12-1, 12-2) in such a way that at least one biological object (O) is thereby approximated to the region of at least one aperture (14) so that contact between the membrane (M) of the biological object (O) and the aperture (14) takes place at least directly can or takes place
(4) An- und Einsaugen der Membran (M) des im Bereich der Apertur (14) befindlichen biologischen Objekts (O) mittels Unterdruck über die Apertur (14), (5) dadurch Attraktion der an- und eingesaugten Abschnitte der Membran (4) suction and suction of the membrane (M) located in the region of the aperture (14) biological object (O) by means of negative pressure on the aperture (14), (5) characterized attraction of the sucked and sucked portions of the membrane
(M) und abdichtendes Anlagern der an- und eingesaugten Abschnitte der Membran (M) an der Innenwand (I ii) der Apertur (14) und (M) and sealingly attaching the sucked and sucked portions of the membrane (M) on the inner wall (I ii) of the aperture (14) and
(6) Durchführen einer elektrophysiologischen Messung am im Bereich der Apertur (14) befindlichen biologischen Objekt (O).  (6) Performing an electrophysiological measurement on the biological object (O) located in the region of the aperture (14).
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, 1 1. A method according to claim 10,
bei welchem ein zufällig verteiltes Zellensemble oder -netzwerk auf dem zweiten Träger (12-2) mit Hilfe des gesteuerten Positionierens und Ausrichtens der ersten und zweiten Träger (12- 1 , 12-2) mittels einer elektrophysiologischen Messung untersucht wird. in which a randomly distributed cell ensemble or network on the second carrier (12-2) by means of the controlled positioning and alignment of the First and second carrier (12-1, 12-2) is examined by means of an electrophysiological measurement.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , 12. The method according to any one of claims 10 or 1 1,
bei welchem durch das Annähern der ersten und zweiten Träger (12- 1, 12- in which, by approaching the first and second supports (12-1, 12-
2) in Bezug aufeinander in gesteuerter Art und Weise mittels des gesteuerten Positionierens und Ausrichtens der ersten und zweiten Träger (12- 1 , 12-2) das insgesamt vorliegende Volumen eines freien Messraums reduziert wird, insbesondere um dadurch eine Messumgebung des biologischen Objekts (O) schnell zu wech- sein, insbesondere durch schnelle Perfusion und/oder bei Konzentrationssprungexperimenten, und/oder um schnell die Versuchsbedingungen für das zu untersuchende biologische Objekte (O) zu verändern. 2) with respect to each other in a controlled manner by means of the controlled positioning and alignment of the first and second supports (12-1, 12-2) the total volume of a free measuring space is reduced, in particular to thereby define a measuring environment of the biological object (O ) to be rapidly changed, in particular by rapid perfusion and / or concentration jump experiments, and / or to rapidly change the experimental conditions for the biological objects (O) to be examined.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 13. The method according to any one of claims 10 to 12,
bei welchem eine Verkippung des ersten und/oder des zweiten Trägers (12- in which a tilting of the first and / or the second carrier (12-
1 , 12-2) über eine Selbstnivellierung des jeweiligen Trägers (12- 1 , 12-2) erfolgt, insbesondere dann, wenn der jeweiligen Träger (12- 1 , 12-2) aus einem weichen und/oder flexiblen Material besteht, insbesondere (a) mittels eines Gelenks zwischen dem zweiten Träger (12-2) und einem Aktuator (80), (b) durch ein flexibles Material, wie z.B. PDM oder andere, und/oder (c) durch kleine und den Abstand definierende und haltende Füj3chen zwischen dem ersten und dem zweiten Träger (12- 1 , 12-2). 1, 12-2) via a self-leveling of the respective carrier (12-1, 12-2) takes place, in particular when the respective carrier (12-1, 12-2) consists of a soft and / or flexible material, in particular (A) by means of a joint between the second carrier (12-2) and an actuator (80), (b) by a flexible material, such as PDM or others, and / or (c) small and spaced defining and holding fufions between the first and second supports (12-1, 12-2).
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