03.03.10 Kraft von Herzzellen an einem dreidimensionalen Gitter gemessen

Herzzellen in einem Würfel mit Kantenlänge 5 cm können 5 kg anheben

KIT-Forscher messen Kräfte von Herzzellen mit Hilfe eines dreidimensionalen Gitters

Trotz ihrer Bedeutung für die biologische Forschung hat die klassische Zellkultur ihre Grenzen: Im Gewebe leben Zellen im räumlichen Verband, während sie in der Kulturschale nur in zwei Dimensionen wachsen können. Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben jetzt ein Verfahren vorgestellt, mit dem sie beliebig strukturierte dreidimensionale und flexible Substrate herstellen können. Die Methode eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung der Zell-Bewegung und Differenzierung.

Abb. 1: Zellen (rot und grün gefärbt) haften an den nur etwa ein Tausendstel Millimeter dicken Balken der elastischen Mikrostruktur. Die Rote Linie dient zur Orientierung. Auffallend im zweiten Bild ist die Biegung der Mikrostruktur, mit deren Hilfe die entstehenden Kräfte berechnet wurden.
Quelle: Adv. Mat. - Mit freundlicher Genehmigung

Die Welt ist eine Scheibe - zumindest für Zellen auf dem Boden einer Petrischale. Außer in der obersten Zellschicht etwa auf der Haut oder im Darm leben Zellen im Organismus aber 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 (CFN) 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. Wichtige Bestandteile der extrazellulären Matrix sind verschiedene Arten von Kollagen, das vor allem Festigkeit und Elastizität verleiht. Fibronektin, Laminin oder Vitronektin sind als Adhäsionsproteine für die Anhaftung von Zellen von Bedeutung. Moleküle wie Hyaluronsäure oder Chondroitinsulfat verleihen zum Beispiel Knorpel seine besonderen Eigenschaften. Die ECM beeinflusst sowohl über ihre biochemische Zusammensetzung als auch über ihre mechanischen Eigenschaften die Zellen.

Des Wechselspiel zwischen Zellen und Untergrund 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 Arbeitsgruppe ein als Direktes Laserschreiben (DLS) bezeichnetes Verfahren, das die Physiker Professor Martin Wegener und Dr. Georg von Freymann am CFN entwickelt haben. Das DLS ist ein fotolithografisches Verfahren zur Herstellung beliebiger dreidimensionaler Mikrostrukturen. Im Mikroskop wird Fotolack, der über einem computergesteuerten, piezogetriebenen Tisch in drei Ebenen bewegt wird, durch das Objektiv mit Femtosekunden-Impulsen eines stark fokussierten Laserstrahls belichtet. In dem eng umrissenen Bereich, in dem der Fotolack von dem Strahl getroffen wird, wird die Löslichkeit des Materials verändert. Je nach Art des Fotolacks werden im Entwicklungsbad die belichteten oder die unbelichteten Regionen ausgewaschen. Aufgrund der hohen optischen Auflösung können mit DLS Strukturierungen von 150 Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) in Objekten mit einer seitlichen Ausdehnung von maximal 0,3 mm und einer Höhe von 0,08 mm realisiert werden.

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 die Biologin Dr. Franziska Klein. "Grob gerechnet könnte ein Würfel aus dicht gepackten Zellen mit einer Kantenlänge von fünf Zentimetern fast fünf Kilogramm anheben."

Weiterführende Experimente mit anderen Strukturen sollen klären, wie Zellen auf unterschiedliche mechanische Eigenschaften und räumliche Gegebenheiten ihrer Umgebung reagieren. Hierfür will das Team aus Biologen und Physikern größere und komplexere Strukturen realisieren, in die Zellen wie in einen porösen Schwamm einwandern können. Die Ergebnisse könnten dabei helfen, Kulturbedingungen für die Gewebezucht und die Regenerative Medizin mit Stammzellen zu optimieren.

Quelle:

Elastic Fully Three-dimensional Microstructure Scaffolds for Cell Force Measurements.
F. Klein, et. al., Adv. Mat. 2010, DOI: 10.1002/adma.200902515

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Kraft von Herzzellen an einem dreidimensionalen Gitter gemessen
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/mae/zellkultur.shtm)

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