Met behulp van lasertechnologie, Aleksandr Ovsianikov van de Technische Universiteit van Wenen wil microstructuren maken met ingebedde levende cellen.

Het gedrag van cellen is sterk afhankelijk van hun omgeving. Als ze moeten worden onderzocht en gemanipuleerd, het is cruciaal om ze in te bedden in een geschikte omgeving. Aleksandr Ovsianikov ontwikkelt een lasersysteem, waardoor levende cellen kunnen worden opgenomen in ingewikkelde op maat gemaakte structuren, vergelijkbaar met biologisch weefsel, waarin cellen omgeven zijn door de extracellulaire matrix. Deze technologie is vooral belangrijk voor het kunstmatig groeien van bioweefsel, voor het vinden van nieuwe medicijnen of voor stamcelonderzoek. Ovsianikov heeft inmiddels de ERC Starting Grant van de European Research Council (ERC) van circa 1,5 miljoen euro gekregen.

Hightech-structuren voor biomedisch onderzoek

"Cellen kweken op een plat oppervlak is eenvoudig, maar dergelijke celculturen gedragen zich vaak anders dan de cellen in een echt driedimensionaal weefsel", zegt Aleksandr Ovsianikov. Terwijl in twee dimensies, conventionele petrischalen worden gebruikt, er is nog geen standaardsysteem beschikbaar voor driedimensionale celculturen. Zo'n 3D-matrix moet poreus zijn, zodat de cellen van alle noodzakelijke voedingsstoffen kunnen worden voorzien. Verder, het is belangrijk dat de geometrie, chemische en mechanische parameters van deze matrix kunnen nauwkeurig worden aangepast om noodzakelijke celreacties te bestuderen en te induceren. Ook, het is belangrijk dat de structuur snel en in grote hoeveelheden kan worden geproduceerd, omdat biologische experimenten meestal in veel celculturen tegelijk moeten worden uitgevoerd om betrouwbare gegevens op te leveren.

Aan deze eisen wordt zeer goed voldaan door de onderzoeksgroep "Additive Manufacturing Technologies" van de Technische Universiteit van Wenen. Het interdisciplinaire team van onderzoekers heeft speciale technologieën ontwikkeld om driedimensionale structuren te creëren met precisie op een schaal van minder dan een micrometer. "We willen een universele methode ontwikkelen, die als standaard kan dienen voor driedimensionale celculturen en die kan worden aangepast voor verschillende soorten weefsel en verschillende soorten cellen", zegt Aleksandr Ovsianikov.

Laser maakt van vloeistof een steiger op maat

Aanvankelijk, de cellen zijn gesuspendeerd in een vloeistof, die voornamelijk uit water bestaat. Celvriendelijke moleculen worden toegevoegd, die op een heel bijzondere manier met licht reageren:een gerichte laserstraal verbreekt dubbele bindingen op precies de juiste plaatsen. Een chemische kettingreactie zorgt er vervolgens voor dat de moleculen zich binden en een polymeer vormen.

Deze reactie wordt alleen geactiveerd wanneer twee laserfotonen tegelijkertijd worden geabsorbeerd. Alleen binnen het brandpunt van de laserstraal is de dichtheid van fotonen daarvoor hoog genoeg. Materiaal buiten het brandpunt wordt niet beïnvloed door de laser. "Zo kunnen we met ongekende nauwkeurigheid definiëren, op welke punten de moleculen worden verondersteld te binden en een solide steiger te creëren", legt Ovsjanikov uit.

De focus van de laserstraal door de vloeistof geleiden, er ontstaat een solide structuur, waarin levende cellen zijn opgenomen. De overtollige moleculen die niet gepolymeriseerd zijn, worden daarna eenvoudig weggespoeld. Op deze manier, een hydrogelstructuur kan worden gebouwd, vergelijkbaar met de extracellulaire matrix die onze eigen cellen in levend weefsel omringt. Ideeën uit de natuur worden nagebootst in het lab en gebruikt voor technologische toepassingen. Deze aanpak, 'bio-mimetica' speelt een steeds belangrijkere rol, vooral in de materiaalkunde. Aleksandr Ovsianikov is ervan overtuigd dat in veel gevallen deze technologie maakt dierproeven overbodig en levert veel snellere en significantere resultaten op.

Stamcellen in weefsel veranderen

Vooral het stamcelonderzoek is een interessant toepassingsgebied voor de nieuwe technologie. "Het is bekend dat stamcellen in verschillende soorten weefsel kunnen veranderen, afhankelijk van hun omgeving", zegt Aleksandr Ovsianikov. "Bovenop een harde ondergrond, ze hebben de neiging zich te ontwikkelen tot botcellen, op een zacht substraat kunnen ze in neuronen veranderen." In de laser-gegenereerde 3D-structuur kan de stijfheid van het substraat worden afgestemd, zodat verschillende soorten weefsel kunnen worden gecreëerd.