Van "Fantastic Voyage" tot "Despicable Me, " Krimpstralen zijn een science-fiction-element op het scherm geweest. Nu hebben scheikundigen van de Universiteit van Texas in Austin een echte krimpstraal ontwikkeld die de grootte en vorm van een blok gelachtig materiaal kan veranderen terwijl menselijke of bacteriële cellen groeien op Deze nieuwe tool is veelbelovend voor biomedische onderzoekers, inclusief degenen die licht willen werpen op het kweken van vervangende weefsels en organen voor implantaten.

"Begrijpen, en in de toekomstige ingenieur, de manier waarop cellen reageren op de fysieke eigenschappen van hun omgeving, je wilt materialen die dynamisch hervormbaar zijn, " zei Jason B. Shear, hoogleraar scheikunde en mede-uitvinder van de nieuwe tool.

Het werk is vandaag online gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De echte kracht van het krimpen van het materiaal dat wordt gebruikt om cellen te laten groeien - het substraat genoemd - zit niet zozeer in het kleiner maken, maar in het selectief veranderen van de vorm en textuur van het oppervlak. Door precies te regelen welke delen van de binnenkant van het materiaal krimpen, de onderzoekers kunnen specifieke 3D-kenmerken op het oppervlak creëren, waaronder hobbels, groeven en ringen. Het is alsof je een vloerkleed van onderaf knijpt om pieken en dalen aan de oppervlakte te vormen.

De onderzoekers kunnen ook de locatie en vormen van oppervlaktekenmerken in de loop van de tijd veranderen, bijvoorbeeld een berg veranderen in een molshoop of zelfs een zinkgat, het nabootsen van de dynamische aard van de omgeving waarin cellen doorgaans leven, groeien en bewegen.

De krimpstraal is een nabij-infraroodlaser die kan worden gefocusseerd op kleine punten in het substraat. Het substraat ziet eruit en gedraagt ​​zich een beetje als een blok Jell-O. Op microscopisch niveau, het is gemaakt van eiwitten door elkaar gegooid en met elkaar verweven als een stapel garen. Wanneer de laser een punt in het substraat raakt, nieuwe chemische bindingen worden gevormd tussen de eiwitten, ze strakker naar binnen trekken, een verandering die ook de vorm van het oppervlak verandert als er van onderaf aan wordt getrokken. Onderzoekers scannen de laser door een reeks punten in het substraat om elke gewenste oppervlaktecontour op elke plaats te creëren in relatie tot gerichte cellen.

In tegenstelling tot andere methoden om het substraat onder levende cellen te veranderen, de UT Austin-krimpstraal verwarmt of verandert het oppervlak niet chemisch, levende cellen beschadigen of ervoor zorgen dat cellen loskomen van het oppervlak. En het maakt de vorming van elk 3D-patroon op aanvraag mogelijk terwijl de groeiende cellen door een microscoop worden bekeken.

De directe plannen van de UT Austin-onderzoekers zijn om de tool te gebruiken om fundamentele wetenschappelijke vragen rond cellulaire groei en migratie te onderzoeken, inspanningen die verschillende toekomstige medische toepassingen mogelijk zouden kunnen maken. Bijvoorbeeld, de aanpak kan leiden tot materialen en procedures die wondgenezing of zenuwgroei bevorderen, of helpen bij het groeien en succesvol implanteren van vervangende weefsels, zoals huid- of hartkleppen.

"Om weefsels te laten groeien in een schaal die effectief zal zijn als ze eenmaal zijn geïmplanteerd, we moeten eerst begrijpen, dan beter de omgeving nabootsen waarin ze zich doorgaans in ons eigen lichaam ontwikkelen, " zei Scheer.

Een andere mogelijke toepassing zou zijn in fundamenteel onderzoek naar hoe de topografie van een oppervlak de vorming van gevaarlijke bacteriekolonies, biofilms genaamd, beïnvloedt. Microbiële biofilms - dichte, plakkerige matten van bacteriën die zich vormen op medische apparatuur en kunnen leiden tot moeilijk te behandelen infecties - dragen jaarlijks bij tot ziekenhuisinfecties voor maximaal 1 miljoen mensen in de Verenigde Staten. Als wetenschappers beter kunnen begrijpen welke topografische kenmerken voorkomen dat biofilms worden gevormd, en hoe functies die in de loop van de tijd veranderen het proces kunnen beïnvloeden, misschien kunnen ze coatings ontwikkelen voor biomedische apparaten die de vorming ervan blokkeren en moeilijk te behandelen infecties voorkomen.