Ärzte Zeitung online, 02.03.2010

Zellen erobern den dreidimensionalen Raum

KARLSRUHE (eb). Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein Verfahren vorgestellt, mit dem sie beliebig strukturierte dreidimensionale und flexible Substrate herstellen können. Die Methode eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung der Zellbewegung und -differenzierung.

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Zellen (rot und grün gefärbt) haften an den nur etwa ein Tausendstel Millimeter dicken Balken der elastischen Mikrostruktur. © M. Rill

Außer in der obersten Zellschicht etwa auf der Haut leben Zellen im Organismus in einer dreidimensionalen und flexiblen Umgebung. "Sie treten auf ihrer gesamten Oberfläche in Kontakt mit Nachbarzellen und der extrazellulären Matrix, die dem Körpergewebe Festigkeit und Elastizität verleiht", erläutert Professor Martin Bastmeyer vom DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen des KIT. An deren Fasern, die aus unterschiedlichen Molekülen bestehen, können Zellen fest anhaften oder sich wie in einem dreidimensionalen Klettergerüst fortbewegen. Zusammensetzung und Struktur der Matrix beeinflussen Verhalten und Entwicklung der Zellen, die wiederum die Matrix auf- oder umbauen und verformen.

Dieses Wechselspiel untersucht Bastmeyer mit seinen neuen künstlichen Strukturen aus elastischen, langen Elementen mit einem Durchmesser von weniger als einem tausendstel Millimeter. Für ihre Herstellung nutzt die Forscher ein als Direktes Laserschreiben bezeichnetes Verfahren (Advanced Materials 22, 2010, 868).

Auf diesen Strukturen ausgesäte Herzzellen aus Hühnerembryonen beginnen nach wenigen Tagen, sich rhythmisch zusammenzuziehen und die elastischen, dünnen Balken zu verbiegen. "Vergleichende Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop zeigen, dass sie dabei eine Zugkraft von 47 Nanonewton entwickeln. Das würde ausreichen, um eine Masse von etwa fünf Millionstel Gramm zu bewegen", erklärt Mitarbeiterin Dr. Franziska Klein.

Weiterführende Experimente mit anderen Strukturen sollen klären, wie Zellen auf unterschiedliche mechanische Eigenschaften und räumliche Gegebenheiten ihrer Umgebung reagieren. Die Ergebnisse könnten dabei helfen, Kulturbedingungen für die Gewebezucht und die Regenerative Medizin mit Stammzellen zu optimieren.

Zum Abstract der Originalstudie: "Elastic Fully Three-dimensional Microstructure Scaffolds for Cell Force Measurements"

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