ETH-onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarbij ze met licht patronen tekenen van moleculen die levende cellen aansturen. De benadering maakt het mogelijk om de ontwikkeling van meercellige organismen van dichterbij te bekijken - en in de toekomst misschien zelfs een rol te spelen in nieuwe therapieën.

Uit een enkele cel kunnen zeer complexe organismen ontstaan, wat een van de ware wonderen van de natuur is. Stoffen die bekend staan ​​als morfogenen spelen een belangrijke rol in deze ontwikkeling, namelijk door aan cellen te signaleren waar ze heen moeten en wat ze moeten doen. Deze signaalmoleculen sturen biologische processen aan, zoals de vorming van lichaamsassen of de bedrading van de hersenen. Om dergelijke processen nader te onderzoeken, onderzoekers moeten de signaalmoleculen kunnen positioneren tussen levende cellen in de driedimensionale ruimte. Dit werd mogelijk gemaakt door een nieuwe methode ontwikkeld door Nicolas Broguiere en zijn collega's in de onderzoeksgroep onder leiding van Marcy Zenobi-Wong. Hun werk wordt vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Tekenen met licht

"Onze aanpak maakt het mogelijk om met een hoge mate van precisie bioactieve moleculen in een hydrogel te verdelen, " zegt Zenobi-Wong, Hoogleraar Tissue Engineering and Biofabrication bij de afdeling Gezondheidswetenschappen en Technologie aan de ETH Zürich. Wanneer levende cellen worden ingekapseld in de hydrogel, ze kunnen deze biochemische signalen detecteren. Een dergelijk signaal, zenuwgroeifactor, bepaalt de richting waarin zenuwvezels groeien. In een methode genaamd two-photon patterning, de onderzoekers tekenden met een laser een 3D-patroon van dit molecuul in de hydrogel.

"Overal waar het licht in het materiaal wordt gefocust, het veroorzaakt een chemische reactie die de zenuwgroeifactor verankert aan de hydrogel, " legt Broguiere uit. "We hebben het ontwerp van de lichtgevoelige hydrogel zorgvuldig geoptimaliseerd, zodat de signaalmoleculen zich alleen hechten in de gebieden die aan de laser worden blootgesteld - en nergens anders." Hun nieuwe aanpak kan "schilderijen" van morfogenen maken met details die duizend keer kleiner zijn dan een millimeter - de grootte van een enkele zenuwvezel. De onderzoekers konden vervolgens door een microscoop bekijken hoe de neuronen het uitgestippelde patroon volgen. "Met deze nieuwe methode, we kunnen neuronen nu effectief in 3D begeleiden, hun eigen biochemische taal gebruiken, ' zegt Broguier.

Wanneer zenuwvezels scheuren

Veel biologen hebben er lang van gedroomd om cellen te instrueren om in een bepaalde richting te groeien. De nieuwe aanpak ontwikkeld door de ETH-onderzoeksgroep brengt hen een stap dichter bij het vervullen van die droom. Zenobi-Wong en Broguiere zijn van mening dat hun innovatie ook potentiële voordelen biedt voor medicijnen, bijvoorbeeld als een zenuw wordt doorgesneden tijdens een ongeval, het opnieuw verbinden gebeurt lukraak en de volledige functie wordt niet hersteld. "Ik wil niet de indruk wekken dat we klaar zijn om patiënten met deze methode te gaan behandelen, "Zenobi-Wong zegt, "maar in de toekomst een verfijnde versie van onze aanpak zou kunnen helpen om neuronen de juiste weg direct in het lichaam te tonen, waardoor het herstel van neurale verwondingen wordt verbeterd."