Unsere Zellen werden ständig gedrückt, gedehnt und zusammengedrückt, ohne dass wir uns dessen bewusst sind: ein Spiel unsichtbarer Kräfte, die ihr Verhalten beeinflussen. Eine in der Fachzeitschrift
Lab on a Chip veröffentlichte Studie schlägt eine präzise und kontrollierbare Methode vor, um dieses Verhalten im Labor nachzubilden.
In unserem Körper leben Zellen nicht isoliert. Sie sind von einer Umgebung umgeben, die extrazelluläre Matrix genannt wird – eine Art Netz aus Proteinen und Zuckern. Diese Struktur stützt die Zellen und überträgt ihnen auch mechanische Belastungen. Diese Kräfte beeinflussen wesentliche Funktionen wie Wachstum, Wundheilung oder auch das Auftreten bestimmter Krankheiten.
Lichtempfindliche Hydrogel-Mikrostrukturen, eingebettet in ein Kollagennetzwerk. Die Mikrostruktur im Vordergrund wird von einem grünen Laser beleuchtet, wodurch sie sich zusammenzieht. Diese Kontraktion verändert das Kollagennetzwerk und übt Kräfte auf die umgebenden Zellen aus.
Bildnachweis: Vicente Salas-Quiroz Um diese Phänomene zu untersuchen, haben Forscher winzige Strukturen aus Hydrogel entwickelt. Diese besonderen Materialien ähneln Gelen, die ihre Form ändern können, wenn sie ein Signal erhalten, wie Licht oder eine Temperaturänderung. Indem sie diese in einen Laborchip integrieren, können die Wissenschaftler eine kontrollierte Umgebung schaffen und genau die Reaktion der Zellen beobachten.
Wenn sie sich zusammenziehen oder ausdehnen, üben diese Mikrostrukturen Kräfte auf das umgebende biologische Gewebe aus. Dadurch lassen sich die mechanischen Belastungen, denen Zellen im Körper ausgesetzt sind, in sehr kleinem Maßstab nachahmen. Eine der Stärken dieser Technik ist ihre Präzision: Die Wissenschaftler können sowohl den Ort als auch den Zeitpunkt der Krafteinwirkung kontrollieren. Durch die Verfolgung winziger fluoreszierender Kügelchen messen sie sogar, wie sich diese Kräfte im Gewebe ausbreiten.
Dank dieses Aufbaus können die Forscher an dreidimensionalen Modellen arbeiten, die der Realität näher kommen als herkömmliche Zellkulturen. Sie können beispielsweise Tumorgewebe simulieren oder die Bildung von Blutgefäßen unter realistischen Bedingungen beobachten. Die verwendeten Hydrogele bestehen aus Polymeren, die Wasser binden können; sie können je nach den Bedingungen anschwellen oder sich zusammenziehen. Diese Eigenschaft macht sie nützlich, um Bewegungen und Drücke nachzuahmen, die in lebendem Gewebe vorkommen.
Die extrazelluläre Matrix spielt bei bestimmten Krankheitsbildern eine Schlüsselrolle. Wird sie zu steif oder im Gegenteil zu brüchig, kann sie das Verhalten der Zellen stören. Dies kann Krankheiten wie Krebs oder Fibrose begünstigen. Indem sie diese Belastungen im Labor nachbilden, hoffen die Forscher, Anomalien genauer identifizieren und die Diagnosen verbessern, ja sogar neue therapeutische Ansätze entwickeln zu können.
Quelle: Lab on a Chip