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Please use this identifier to cite or link to this thesis: http://hdl.handle.net/10589/56666

Author: BIFFI, EMILIA
Supervisor: PEDROCCHI, ALESSANDRA
Coordinator: SIGNORINI, MARIA GABRIELLA
Tutor: FERRIGNO, GIANCARLO
Department : DIPARTIMENTO DI BIOINGEGNERIA
PhD course: BIOINGEGNERIA
Cycle: 23
Scientific Disciplinary Sector: ING-INF/06 BIOINGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA
Date: 21-Mar-2012
Title: Development of innovative devices for reliable studies of in vitro models of Central Nervous System pathologies
Italian abstract: L’aumento dell’incidenza delle patologie neurodegenerative accresce l’interesse per lo studio delle alterazioni del sistema nervoso centrale e per lo sviluppo ed il test di molecole che possano essere in grado di ripristinarne le funzioni. Questi studi si avvalgono di modelli neuronali in vitro di patologia i quali necessitano di essere caratterizzati sia a livello di singola cellula che di rete e successivamente confrontati con il modello fisiologico. Una tecnologia sempre più utilizzata per lo studio di questi modelli in vitro è quella dei Micro Electrode Arrays (MEAs) che permettono di acquisire in modo non invasivo ed in più siti l’attività elettrofisiologica, spontanea o stimolata, di cellule su di essi coltivate. In questo lavoro di tesi è stato innanzitutto consolidato il forte impatto neurobiologico apportato dall’utilizzo di MEA, accoppiando questa tecnologia a tecniche molecolari ed ad un modello neuronale di sclerosi multipla. Studiando con MEA le caratteristiche di queste reti, infatti, si sono evidenziati difetti nella trasmissione GABAergica ed i risultati suggeriscono che sostanze che potenzino il segnale GABAergico possano essere valutate per limitare il danno neuronale in pazienti con sclerosi multipla. L’utilizzo del sistema MEA commerciale e delle tecniche sperimentali standard ha inoltre aperto numerose sfide tecnologiche atte ad accrescere l’affidabilità dei dati neurobiologici e ad incrementare i risultati riducendo il numero di animali sacrificati e la durata delle sessioni sperimentali. In questo lavoro di tesi si è in seguito contribuito al miglioramento tecnologico in campo neurobiologico agendo su due fronti. Il primo è legato all’esigenza di mantenere vitali le cellule anche per tempi molto lunghi fuori dall’incubatore, ove si trova il setup elettrofisiologico standard, e permetterne il monitoraggio dell’attività elettrica in continua. L’altro è legato alla necessità di sottoporre le reti neuronali a stimolazione farmacologica controllata, anche in modo cronico. In particolare è stato progettata e realizzata una camera di incubazione, integrabile con il sistema di acquisizione di segnali neuronali. In seguito sono state progettate schede elettroniche per il condizionamento e l’analisi di segnali meuronali, con lo scopo di ridurre l’occupazione in memoria di questi dati, inevitabile in caso di acquisizioni continue. Inoltre, è stato realizzato un algoritmo innovativo per lo studio delle complesse proprietà di rete durante modulazione farmacologica. Infine, sono stati sviluppati dispositivi microfluidici accoppiati a MEA e successivamente testati per la crescita e l’elettrofisiologia neuronale e per la stimolazione chimica locale e controllata delle reti. In conclusione, le tecnologie sviluppate in questo lavoro di dottorato pongono le fondamenta pr lo sviluppo di una piattaforma elettrofisiologica e farmacologica integrata per lo studio del sistema nervoso centrale e delle sua patologie.
English abstract: Neurodegenerative diseases are growing in incidence due to increase in life expectancy, but still most of their causes and mechanisms are not well known. This raises the interest in studying brain alterations as well as developing and testing new molecules that could re-establish brain functionalities. Since the level of investigation is not ethical in human patients, researchers take advantage of using animal models of diseases, whose electrophysiological properties need to be characterized and compared to the physiological ones. Micro Electrode Arrays (MEAs) are considered a standard tool for brain studies since they offer a simple approach to examine the activities of neuronal cells on a large scale and provide new insights into the dynamics of in vitro networks. In this work, the scientific importance of MEA technology in the neurodegenerative field has been stressed by means of an electrophysiological and pharmacological study on EAE, the mice model of multiple sclerosis, which gave important results with possible outcomes for patients drug treatments. During this project, many restrictions related to the experimental equipments and techniques were evidenced. First, it emerged the impossibility of recording neuronal activity continuously for many hours, because of the size of data and the huge memory space required. Furthermore, repeated acquisitions of the same neuronal culture were limited since they caused electrophysiological changes and cellular viability decline. Finally, the standard biochemical stimulation technique with pipettes showed its drawbacks by causing uncontrolled neuronal response and electrode saturation. Consequently, several technological challenges have been tackled. First, a custom chamber for neuronal growth and long term recording of network activity was developed and tested. Then, dedicated electronic boards for signal conditioning and post-processing (i.e. spike detection and sorting) were designed to handle the huge amount of data due to continuous acquisition. Besides, a cross-correlation algorithm was designed to provide a comprehensive functional evaluation of neuronal network communication properties. Finally, a PDMS microfluidic device, coupled to an array of microelectrodes, was developed and validated first for neuronal extracellular electrophysiology and, subsequently, for local controlled biochemical stimulation. To conclude, this thesis work provides the elements that establish an integrated electrophysiological and pharmacological workstation for brain studies and offers great advantages in central nervous system research.
Italian keywords: neuroni; matrici di microelettrodi; sclerosi multipla; registrazioni elettrofisiologiche a lungo termine; microfluidica; stimolazione chimica
English keywords: neurons; micro electrode arrays ; multiple sclerosis; long term electrophysiological recordings; microfluidics; drug delivery
Language: eng
Publisher: Politecnico di Milano
Type of document: Tesi di dottorato
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