Im menschlichen Gewebe sind die Zellen in die extrazelluläre Matrix eingebettet. Diese Matrix besteht aus faserartigen Strukturen, die dem Gewebe Festigkeit verleihen, aber auch das Zellverhalten beeinflussen und das Zellwachstum erleichtern.
Ph.D. Kandidatin Laura Rijns erforschte, wie man die Matrix mithilfe supramolekularer Hydrogele nachahmen kann. Die von ihr zu diesem Zweck verfassten Designregeln könnten zur künftigen Entwicklung komplexerer lebender Gewebe, etwa für die Prüfung von Medikamenten, beitragen. Letzten Freitag verteidigte sie ihre Dissertation am Fachbereich Biomedizintechnik.
„Jede Zelle in unserem Körper ist von etwas umgeben, das man die extrazelluläre Matrix nennt“, sagt TU/e-Forscherin Laura Rijns. Wie der Name schon sagt, befindet sich die extrazelluläre Matrix (ECM) außerhalb der Zellen, spielt jedoch eine wichtige Rolle in Bezug auf unser biologisches Gewebe.
„Diese ECM besteht aus länglichen Fasern, die dem Gewebe Festigkeit und Struktur verleihen, aber auch für die Übertragung chemischer Signale an die Zelle sorgen. Dies geschieht an den Befestigungspunkten“, erklärt sie.
Die Eigenschaften der ECM bestimmen, was die Zelle tun wird: Eine weiche ECM führt zu weichem Gewebe, wie z. B. dem Gehirn, während eine steifere ECM beispielsweise zu hartem Knochengewebe führt. Durch die Übermittlung von Informationen an die Zelle entscheidet das ECM über „das Schicksal der Zelle“. Die Matrix dient also nicht nur der Bindung und Verstärkung, sondern spielt auch eine Rolle bei der Bildung und Funktion der Zelle.
Mit In-vitro-Gewebemodellen ist es möglich, regenerative Zelltherapien zu verbessern und Medikamente zu testen. „Aber um gute Gewebemodelle herzustellen, müssen wir in der Lage sein, die ECM genau nachzuahmen“, sagt Rijns. Derzeit gibt es eine Reihe natürlicher und synthetischer Biomaterialien, die wir in diesem Zusammenhang verwenden können, jedes mit seinen eigenen Vorzügen und Einschränkungen. „Das Hauptproblem aktueller Imitationen besteht darin, dass ihre Eigenschaften schwer zu kontrollieren sind.“
Die Eigenschaften des ECM können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden: mechanische Eigenschaften (die Steifigkeit des Materials, d. h. hart oder weich), bioaktive Eigenschaften (die chemischen Signale, die das ECM an die Zelle sendet) und dynamische Eigenschaften (wie mobil die Struktur ist). .
Diese Eigenschaften haben großen Einfluss auf das Verhalten von Zellen. Beispielsweise ist eine gewisse Beweglichkeit der Matrix erforderlich, damit die Zellen wachsen und Gewebe bilden können. Wenn die Fasern jedoch zu beweglich sind, kann sich eine Zelle nur schwer an einem Befestigungspunkt festsetzen. Bei der Nachahmung eines ECM ist es daher entscheidend, eine ausreichende Kontrolle über die drei Eigenschaften zu haben.
Supramolekulare Hydrogele
In ihrer Forschung untersuchte Rijns die Nachahmung der ECM durch supramolekulare Hydrogele, eine spezielle Art synthetischer Biomaterialien, die viele Vorteile bietet. „Sie sind sehr modular und von Natur aus dynamisch, was bedeutet, dass die Integration von Funktionalität einfach ist.“
Sie nimmt ein Perlenarmband ab und bewegt die Perlen hin und her. „Supramolekulare Hydrogele bestehen aus Molekülen, die schwache, reversible Bindungen eingehen, um längere, faserartige Strukturen zu bilden. Das heißt, sie werden zusammengehalten, sind aber nicht wirklich verbunden, wie diese Perlen. So können sich ständig neue Bindungen bilden und wieder auflösen.“ „, erklärt sie, während sie einige Perlen auseinanderzieht, um ihren Standpunkt zu verdeutlichen.
Dies erleichtert das Hinzufügen von Molekülen. „Das sind alles grüne Perlen“, fährt sie fort und zeigt immer noch auf das Armband. „Da sie aber nicht aneinander gebunden sind, wäre es einfach, eine gelbe oder rote Perle einzufügen, ähnlich wie wir auf molekularer Ebene Moleküle mit unterschiedlicher Biofunktionalität einbauen können, um das Zellverhalten zu beeinflussen.“
Designregeln
Obwohl die Vorteile supramolekularer Hydrogele offensichtlich sind, sind viele Informationen erforderlich, um sie richtig zu verwenden. Eine der Herausforderungen besteht darin, das Material und die Zellen zusammenzubringen. „Man kann die Zellen nicht einfach mit dem Gel mischen, da es sich um eine ziemlich feste Struktur handelt, in die man nicht einfach etwas Neues einbringen kann.“
Das Mischen von Material und Zelle muss also erfolgen, während es noch flüssig ist“, erklärt sie. „Durch das Herumspielen mit Temperatur, pH-Wert, Konzentration und Vernetzermolekülen können Sie die Zellen und das Material mischen, beide in ihrem flüssigen Zustand.“ . Durch die Zugabe eines Vernetzungsmoleküls am Ende verwandelt sich das Material, das die Zellen enthält, von einer Flüssigkeit in ein Gel.“
Rijns untersuchte außerdem, wie man die mechanischen, dynamischen und bioaktiven Eigenschaften supramolekularer Hydrogele beeinflussen kann, um die Interaktion zwischen Zellen und Material zu verstehen und zu steuern. „Für die Bioaktivität haben wir zum Beispiel geschaut, ob es einen Unterschied macht, welcher Ligandtyp ist [signaling molecule] wir liefern. Oder in Bezug auf die Perlenanalogie, ob es eine grüne Kugel oder ein roter Würfel sein muss“, erklärt sie.
„So haben wir herausgefunden, dass das von der Art der Zelle abhängt: Für Darmgewebe braucht man einen anderen Liganden als für Nierengewebe.“
Basierend auf diesen Informationen erstellte sie Designregeln für jede Matrixeigenschaft, die die Interaktion zwischen Zellen und Material beeinflusst. „Wenn Sie in einem Labor Gewebe aus einigen wenigen Zellen züchten, können Sie jetzt eine viel bessere Arbeit leisten, weil Sie wissen, wie dynamisch und starr die Matrix sein muss und welche Art von Bioaktivität Sie benötigen.“
Dank dieser Richtlinien können wir sicherstellen, dass sich ein bestimmter Zelltyp zu einem bestimmten Gewebetyp oder Miniorgan entwickelt. „Früher wussten wir nicht, wie man eine Matrix entwirft, ob man eine grüne oder blaue Perle braucht und ob man die Konsistenz von Mayonnaise oder etwas Festeres, etwa ein härteres Gelee, haben möchte. Jetzt wissen wir es.“
Der Ph.D. Der Kandidat hofft, dass die Designregeln anderen Forschern helfen können, die Interaktion zwischen Zellen und Material zu steuern. „Auch wenn sie keine supramolekularen Hydrogele, sondern andere Biomaterialien verwenden, wissen sie jetzt ungefähr, wie steif es sein muss.“
Die Designregeln könnten letztendlich zur Entwicklung komplexerer Gewebe für das Arzneimittelscreening mit patienteneigenem Gewebe und Gewebetransplantaten ohne das Risiko einer Abstoßung beitragen.
Aber diese Regeln sind auch auf andere Bereiche anwendbar, beispielsweise auf die Bioelektronik, ein aufstrebendes Forschungsgebiet, in dem Rijns selbst nach Abschluss ihrer Doktorarbeit arbeiten wird. Im Januar wird sie mit einem Niels-Stensen-Stipendium ein neues Forschungsprojekt im Bereich Bioelektronik an der Stanford University starten.
„In diesem Bereich werden elektronische Materialien entwickelt, die man zum Beispiel auf der Haut tragen oder implantieren kann. Auch hier ist die Interaktion zwischen Zellen und Material von größter Bedeutung, da das synthetische, elektronische Material dazu in der Lage sein muss.“ um genau mit lebenden Zellen zu kommunizieren“, erklärt sie.
„Ich hoffe, die Designregeln aus meiner Doktorarbeit auf diese elektronischen Materialien anwenden zu können. Auf diese Weise wollen wir physiologische Funktionen überwachen und langfristig sogar krankes neuronales Gewebe wie Alzheimer reparieren.“ Krankheit.“
Ihre Dissertation ist das Ergebnis tausender Stunden und langer Abende im Labor; In diesem Sinne ist Rijns unermüdlich. „Wenn ich etwas mache, gebe ich mein Bestes, mit vollem Einsatz. In den letzten vier Jahren habe ich mich hundertprozentig auf meine Doktorarbeit konzentriert“, gibt sie zu. Und sie wird ihre Forschung in den USA mit der gleichen Leidenschaft und Tatkraft fortsetzen.
Ihr größter Traum ist es, nach Abschluss ihres Postdoc-Abschlusses ein eigenes Labor zu eröffnen und weitere Forschungen zu Biomaterialien durchzuführen, die genau mit lebendem Gewebe kommunizieren können. Eines ist sicher: Wenn das Leben sie dorthin führt, wird sie wie immer ihr Bestes geben.