Neugestaltung von Hydrogelen, um die Zellreaktionen im Körper in ein neues Licht zu rücken

Unsere Zellen stehen in einer komplexen Beziehung zur Mikroumgebung des Körpers. Es wurde im Labor untersucht, aber bis heute lassen die meisten Studien dynamische Veränderungen der Mikroumgebung außer Acht. Mit anderen Worten: Sie betrachten das Zellleben in einer statischen Welt.

Um die Realität des Zelllebens im sich ständig verändernden menschlichen Körper besser darzustellen, haben Forscher der TU/e ​​Zellen auf Hydrogelen gezüchtet, deren Oberflächengeometrie bei Bedarf im Mikrometerbereich verändert und durch Beleuchtung mit blauem Licht wiederholt umgeformt werden kann. Erkenntnisse aus der Forschung könnten die Entwicklung zukünftiger Biomaterialien zur Heilung des Körpers unterstützen. Die neue Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.

Das Leben als Zelle kann mühsam sein. Wenn es sich nicht um Eindringlinge wie Viren oder bösartige Bakterien sorgt, muss es sich mit der sich ständig verändernden Mikroumgebung auseinandersetzen, insbesondere mit Änderungen in der Geometrie der Oberflächen, auf denen es sich befindet.

„Die Mikroumgebung einer Zelle ist ein geschäftiger Ort. Da gibt es die extrazelluläre Matrix (ECM) – das komplexe Netzwerk aus Fasern, Zucker und Wasser – und natürlich andere Zellen“, sagt Maaike Bril, Ph.D. Forscher in der Abteilung für Biomedizinische Technik. „Zusammen beeinflussen diese die Funktion und den gesamten Lebenszyklus der Zelle.“

Diese ständige Interaktion zwischen Zellen und ihrer Mikroumgebung, besser bekannt als dynamische Reziprozität, ist, gelinde gesagt, komplex. „Durch die Wechselwirkungen passen Zellen und die Umgebung ihre Strukturen, Geometrien und biophysikalischen Eigenschaften kontinuierlich an“, sagt Nicholas Kurniawan, Assistenzprofessor in der Abteilung für Biomedizintechnik. „Dennoch gibt es noch viel zu lernen darüber, wie Zellen auf geometrische Veränderungen in der Mikroumgebung reagieren.“

Lass ein blaues Licht erstrahlen

Es gibt zahlreiche Laborstudien darüber, wie Zellen auf Veränderungen in ihrer Mikroumgebung reagieren. Allerdings fehlt in vielen Studien ein zentraler Aspekt.

„Frühere Studien konzentrieren sich in der Regel auf statische Umgebungen, bei denen Zellen auf Substraten platziert werden, die geometrisch verändert werden können, aber für die Dauer des Experiments in dieser Konfiguration bleiben“, sagt Bril. „Dies ist nicht repräsentativ für die reale Mikroumgebung, in der sich die Gewebeform kontinuierlich ändert.“

Um diesen Aspekt zu erfassen, haben Bril, Kurniawan und andere TU/e-Kollegen ein Zellkultursubstrat entwickelt, dessen Form oder Oberflächentopographie durch Licht verändert werden kann, was in veröffentlicht wurde Fortgeschrittene Wissenschaft.

„Das Substrat besteht aus einem photoresponsiven Hydrogel auf Spiropyran-Basis. Wenn es mit blauem Licht (Wellenlänge 455 Nanometer) mit spezifischen räumlichen Mustern beleuchtet wird, ändert das Substrat seine Form, während das Hydrogel anschwillt, und folgt diesen Leitmustern, und Veränderungen am Hydrogel sind fast so.“ sofort“, sagt Bril. „Darüber hinaus sind die Veränderungen reversibel, sodass mit dem Hydrogel die Wirkung verschiedener Oberflächentopographien auf Zellen untersucht werden kann.“

Hydrogele neu gestalten

Bevor die Forscher Zellen auf den lichtempfindlichen Hydrogelen züchten konnten, mussten die Forscher ein wichtiges Problem lösen. „Wir mussten das Hydrogel neu gestalten, bevor wir darauf Zellen züchten konnten“, sagt Bril.

Um bei der Gestaltung des Hydrogels zu helfen, wandten sich Bril und Kurniawan an die Gruppe von Albert Schenning (Professor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Chemie), die sich auf die Entwicklung von Materialien spezialisiert hat, deren Eigenschaften als Reaktion auf Licht verändert werden können.

„Schennings Team hat seine bisherigen Forschungen in Wasser und bei Raumtemperatur durchgeführt. Damit Zellen wachsen können, sind die Bedingungen jedoch anders: Sie müssen auf einer Oberfläche wachsen, in einem Medium, das das Wachstum fördert, sie brauchen Sauerstoff und sie brauchen eine Luftfeuchtigkeit.“ Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 37°C – der Kerntemperatur des menschlichen Körpers“, sagt Kurniawan.

Es stellte sich jedoch heraus, dass die chemische Zusammensetzung des Kulturmediums die Reaktion des Hydrogels auf Licht beeinflusste, was erklärt, warum die Forscher ein neues Hydrogel speziell entwickeln mussten, um eine Umgebung zu schaffen, die das Zellwachstum unterstützt. „Um dieses Problem zu lösen, haben wir eine Schicht aus elastischem Gummi eingebaut, die das Hydrogel vor den Chemikalien im Zellkulturmedium schützt, die die Art und Weise beeinflussen, wie das Hydrogel auf Licht reagiert“, sagt Bril.

Fibroblasten erinnern sich

Bei der Art der Zellen, die sie mit ihrer neuen Methode untersuchen wollten, konzentrierten sich die Forscher auf Fibroblastenzellen. Dabei handelt es sich um Zellen, die für die Erhaltung der Haut, verschiedener Gewebe und unserer Organe verantwortlich sind. Und sie machten eine aufregende Entdeckung.

„Wir haben herausgefunden, dass sich die Fibroblasten an vergangene Formveränderungen der Oberflächen, auf denen sie sich befanden, ‚erinnern‘ können, und das ist eine völlig neue Erkenntnis“, sagt Bril begeistert. „Diese Erinnerung an vergangene Dynamiken ermöglicht es der Zelle, ihre Funktionsweise an ihre Bedürfnisse anzupassen. Dies könnte ein äußerst wichtiger Aspekt sein, den es bei der Entwicklung zukünftiger Biomaterialien oder besserer Behandlungen zur Unterstützung der Wundheilung zu berücksichtigen gilt.“

Nachdem die Forscher nun wissen, wie Zellen auf Veränderungen an Oberflächen reagieren, möchten sie als Nächstes mehr darüber erfahren, was im Inneren der Zellen vor sich geht, wenn sie auf Formänderungen in ihrer Umgebung reagieren.

„Es wäre toll zu wissen, welche Proteine, die in einer Zelle hergestellt werden, für Formänderungen essentiell sind. Und zu untersuchen, wie sie ein sogenanntes mechanisches Gedächtnis, in diesem Fall das topografische Gedächtnis, beeinflussen“, sagt Bril.

Darüber hinaus wollen die Forscher genauer untersuchen, wie Zellen mit anderen Zellen interagieren, denn in Wirklichkeit sind Zellen im Körper nicht allein. „Ein wesentlicher Bestandteil des Lebens einer Zelle ist die Interaktion und Kommunikation mit benachbarten Zellen“, fügt Bril hinzu.

Über die weitere Untersuchung der Zell-Zell-Interaktionen hinaus wollen die Forscher auch sehen, wie ihre Forschung auf neue und spannende Weise angewendet werden könnte. „Formverändernde Hydrogele, die eine lebende Zellmatrix unterstützen, könnten viele Anwendungen haben, die darauf warten, erforscht zu werden. Wir könnten sie beispielsweise verwenden, um nachzuahmen, wie Gewebe während des Wachstums Form und Größe verändert“, sagt Kurniawan.