Neue Erkenntnisse könnten das Design von Biomaterialien verbessern

Eine vom IBEC durchgeführte Studie hat gezeigt, wie mesenchymale Stammzellen auf die Viskosität ihrer Umgebung reagieren, ein Schlüsselaspekt in ihrem Differenzierungsprozess.

Die von Manuel Salmeron, ICREA-Forschungsprofessor am Institut für Bioingenieurwesen Kataloniens (IBEC) und Professor für Biomedizintechnik an der Universität Glasgow, geleitete Forschung hat unser Verständnis darüber verbessert, wie mesenchymale Stammzellen (MSCs) die Viskosität ihrer Umgebung wahrnehmen. ein Schlüsselfaktor für ihre Differenzierung in verschiedene Gewebetypen.

Die Erkenntnisse, veröffentlicht In Naturkommunikationliefern grundlegende Erkenntnisse, die das Design von Biomaterialien für Anwendungen in der regenerativen Medizin verbessern könnten.

MSCs haben die Fähigkeit, sich zu verschiedenen Zelltypen zu entwickeln – etwa zu Knochen-, Knorpel- oder Muskelzellen – und ihr Schicksal kann von den physikalischen Eigenschaften der Umgebung abhängen, in der sie vorkommen. Bisher konzentrierte sich ein Großteil der Forschung auf die „Steifigkeit“ von Materialien, ohne die „Viskosität“ zu berücksichtigen.

„Normalerweise modellieren wir Gewebe so, als wären sie Federn: Wir müssen eine konstante Kraft aufrechterhalten, um sie zu verformen; wenn wir die Feder loslassen, kehrt sie in ihre ursprüngliche Form zurück. Aber in Wirklichkeit sind Gewebe viskoelastisch, das heißt, wenn eine Kraft wirkt.“ „Wird auf sie ausgeübt, verformen sie sich und wir müssen diese konstante Kraft nicht aufrechterhalten, um die Verformung aufrechtzuerhalten, da sich ihre innere Struktur neu organisiert“, erklärt Salmeron, Hauptforscher der IBEC-Gruppe „Microenvironments for Medicine“ und letzter Autor der Studie.

Um genau zu analysieren, wie sich die viskosen Eigenschaften auf das Verhalten der Zellen auswirken, ignorierte das Team daher die Steifheit und arbeitete ausschließlich mit der Viskosität. Konkret entwickelten sie ein experimentelles Modell mit Lipidmembranen, die die Viskosität natürlicher Gewebe nachahmen und es ihnen ermöglichten, zu untersuchen, wie die Interaktion zwischen Adhäsionsproteinen (Integrine) und Zellverbindungsproteinen (Cadherine) die Interaktion von MSCs mit ihrer Umgebung moduliert.

Die Ergebnisse zeigen, dass in Gegenwart anderer Zellen die Adhäsion von MSCs am Substrat abnimmt, sich ihr Verhalten ändert und ihre Differenzierung in weicheres Gewebe wie Knorpel gefördert wird. Sowohl die Viskosität der extrazellulären Matrix als auch die Zell-Zell-Interaktionen haben einen erheblichen Einfluss darauf, wie Stammzellen ihre Umgebung wahrnehmen, ein Faktor, der bei der Entwicklung von Biomaterialien berücksichtigt werden sollte.

In Zusammenarbeit mit dem Team von Pere Roca-Cusachs, Professor an der Universität Barcelona (UB) und Hauptforscher der Gruppe Zelluläre und Molekulare Mechanobiologie am IBEC, passten die Forscher ihr bisheriges Modell an, um sowohl Viskosität als auch Zell-Zell-Wechselwirkungen über Cadherine einzubeziehen . Dieses innovative Modell ermöglicht es ihnen, das Verhalten viskoelastischer Gewebe im menschlichen Körper realistischer zu simulieren.

Die Studie ist das Hauptergebnis der Doktorarbeit von Eva Barcelona. These und stellt einen Fortschritt in der Entwicklung von Materialien dar, die die Geweberegeneration präziser steuern können und den Grundstein für eine effizientere und personalisiertere regenerative Medizin legen.