Het gedrag van cellen wordt bepaald door hun omgeving. Naast biologische factoren of chemische stoffen, fysieke krachten zoals druk of spanning zijn ook betrokken. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Universiteit van Heidelberg ontwikkelden een methode waarmee ze de invloed van externe krachten op individuele cellen kunnen analyseren. Met behulp van een 3D-printproces, ze produceerden micro-steigers, die elk vier pilaren hebben waarop een cel staat. Getriggerd door een extern signaal, een hydrogel in de steiger zwelt op en duwt de pilaren uit elkaar, zodat de cel moet "rekken". Het werk maakt deel uit van de "3-D Matter Made to Order" (3DMM2O) Cluster of Excellence. De onderzoekers rapporteren over hun resultaten in wetenschappelijke vooruitgang .

Veel cellulaire biologische processen, zoals wondgenezing of de ontwikkeling van weefsel, worden sterk beïnvloed door de eigenschappen van hun omgeving. Cellen reageren, bijvoorbeeld, aan biologische factoren of chemische stoffen. Echter, onderzoek richt zich steeds meer op fysieke krachten die op de cellen inwerken:hoe passen de cellen zich precies aan deze krachten aan?

In het kader van het Duits-Japanse universiteitsconsortium HeKKSaGOn en in samenwerking met Australische wetenschappers, het 3DMM2O-team heeft deze vraag bijzonder ingenieus aangepakt. Voor de productie van hun cel "rekrekken" gebruikten ze "direct laser schrijven, " een speciaal 3D-printproces waarbij een computergestuurde laserstraal wordt gefocusseerd in een speciale printerinktvloeistof. De moleculen reageren alleen op de blootgestelde gebieden en vormen daar een vast materiaal. Alle andere gebieden blijven vloeibaar en kunnen worden weggespoeld "Dit is een gevestigde methode in ons Cluster of Excellence voor het bouwen van driedimensionale structuren - op micrometerschaal en lager, " legt Marc Hippler van het KIT Institute of Applied Physics uit, hoofdauteur van de publicatie.

In het huidige geval gebruikten de onderzoekers drie verschillende printerinkten:de eerste inkt, gemaakt van eiwitafstotend materiaal, werd gebruikt om de eigenlijke micro-steiger te vormen. Met behulp van een tweede inkt van eiwitaantrekkend materiaal, vervolgens produceerden ze vier horizontale staven die elk verbonden zijn met een van de steigerkolommen. De cel is verankerd aan deze vier staven. De echte topper, echter, is de derde inkt:de wetenschappers gebruikten het om een ​​massa in de steiger te "printen". Als ze dan een speciale vloeistof toevoegen, de hydrogel zwelt op. Het ontwikkelt dus een kracht die voldoende is om de pilaren te bewegen - en de staven daarmee. Dit, beurtelings, heeft het effect van het uitrekken van de cel die aan de staven is bevestigd.

Cellen gaan vervorming tegen

De wetenschappers van de Cluster of Excellence plaatsten twee totaal verschillende celtypes op hun microrekrek:menselijke bottumorcellen en embryonale muiscellen. Ze ontdekten dat de cellen de krachten van buitenaf tegengaan met motoreiwitten en zo hun trekkrachten enorm vergroten. Wanneer de externe rekkracht wordt verwijderd, de cellen ontspannen en keren terug naar hun oorspronkelijke staat. "Dit gedrag is een indrukwekkende demonstratie van het vermogen om zich aan te passen aan een dynamische omgeving. Als de cellen niet konden herstellen, ze zouden niet langer hun oorspronkelijke functie vervullen - bijvoorbeeld wondsluiting, " zegt professor Martin Bastmeyer van het Zoölogisch Instituut van KIT.

Zoals het team verder ontdekte, een eiwit genaamd NM2A (non-muscle myosine 2A) speelt een beslissende rol in de reactie van de cellen op mechanische stimulatie:genetisch gemodificeerde bottumorcellen die geen NM2A kunnen produceren, waren nauwelijks in staat om de uitwendige vervorming tegen te gaan.

Het werk in het cluster van excellentie werd uitgevoerd door Heidelberg-wetenschappers op het gebied van biofysische chemie en fysica en cel- en neurobiologie van het KIT. Leden van het Duits-Japanse universiteitsconsortium HeKKSaGOn zijn onder meer:onder andere, Universiteit van Heidelberg, Karlsruhe Instituut voor Technologie en de Universiteit van Osaka.