Zellen den Weg leuchten

ETH-Forschende haben eine neue Methode erfunden, bei der sie mit Licht Molekülmuster vorzeichnen, die lebenden Zellen den Weg weisen. Der Ansatz erlaubt einen tieferen Einblick in die Entwicklung von mehrzelligen Lebewesen – und k?nnte in Zukunft auch bei neuartigen Therapien zum Tragen kommen.  

Neuronen folgen dem vorgezeichneten Muster im Hydrogel. (Visualisierung: ETH Zürich)
Neuronen folgen dem vorgezeichneten Muster im Hydrogel. (Visualisierung: ETH Zürich)

Dass sich aus einer einzigen Zelle hochkomplexe Organismen entwickeln, ist eines der Wunder der Natur. In der Entwicklung spielen sogenannte Morphogene eine wichtige Rolle. Sie signalisieren den Zellen, wohin sie gehen und was sie tun sollen. Diese Signalmoleküle steuern biologische Prozesse wie die Bildung von K?rperachsen oder die Verdrahtung des Gehirns. Um solche Prozesse genauer untersuchen zu k?nnen, müssen Forschende die Signalmoleküle im dreidimensionalen Raum um lebende Zellen herum positionieren k?nnen. Dies ist nun m?glich, dank einer neuen Methode, die Nicolas Broguiere und seine Kolleginnen und Kollegen in der Forschungsgruppe von Marcy Zenobi-Wong entwickelt haben. Ihre Ergebnisse werden heute in der externe SeiteFachzeitschrift ?Advanced Materials? ver?ffentlicht.

Zeichnen mit Licht

?Unser Ansatz erlaubt es, bioaktive Moleküle mit hoher Pr?zision in einem Hydrogel zu verteilen?, sagt Zenobi-Wong, Professorin für Gewebetechnologie und Biofabrikation am Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie der ETH Zürich. Wenn lebende Zellen in das Hydrogel eingekapselt werden, nehmen sie die biochemischen Signale wahr. Eines dieser Signale, n?mlich der Nervenwachstumsfaktor, bestimmt die Richtung, in welche Nervenfasern wachsen. Mit einer Methode, die als 2-Photon-Patterning bezeichnet wird, haben die Forschenden mit einem Laser dreidimensionale Muster dieses Moleküls in das Hydrogel gezeichnet.

?Genau an der Position, auf die das Licht gerichtet ist, wird eine chemische Reaktion ausgel?st, die den Nervenwachstumsfaktor im Hydrogel verankert?, erkl?rt Broguiere. ?Wir haben das Design des lichtempfindlichen Hydrogels sorgf?ltig optimiert, damit sich die Signalmoleküle nur in den beleuchteten Bereichen – und nirgendwo sonst – anlagern.? Mit ihrem neuen Ansatz k?nnen die Forschenden dreidimensionale Morphogene mit Details von der Gr?sse eines tausendstel Millimeters, also einer einzelnen Nervenfaser, zeichnen und dann mit einem Mikroskop beobachten, wie die Neuronen dem vorgezeichneten Muster folgen. ?Mit dieser neuen Methode k?nnen wir nun Nervenzellen mit ihrer eigenen biochemischen Sprache effektiv dreidimensional lenken?, sagt Broguiere.

Wenn Nervenfasern reissen

Zellen vorzugeben, in welche Richtung sie wachsen sollen, ist ein langgehegter Traum von vielen Biologinnen und Biologen. Mit dem neuen Ansatz der ETH-Forschenden kommen sie der Erfüllung dieses Traums einen grossen Schritt n?her. Für ihre Erfindung sehen Zenobi-Wong und Broguiere auch einen potenziellen Nutzen in der Medizin: Wenn Nerven durch einen Unfall gesch?digt werden, wachsen sie willkürlich zusammen, sodass ihre volle Funktion nicht wiederhergestellt wird. ?Ich m?chte nicht den Eindruck erwecken, dass wir schon bald bereit sind, Patientinnen und Patienten mit unserem Ansatz zu behandeln?, sagt Zenobi-Wong. ?Doch in Zukunft k?nnte eine Weiterentwicklung unseres Ansatzes vielleicht dabei helfen, den Nervenzellen direkt im K?rper den richtigen Weg zu weisen, sodass verletzte Nerven besser heilen.?

Literaturhinweis

Broguiere N, Lüchtefeld I, Trachsel L, Mazunin D, Rizzo R, Bode JW, Lutolf MP, and Zenobi-Wong M. Morphogenesis guided by 3D patterning of growth factors in biological matrices. Advanced Materi-als. (2020). doi: externe Seite10.1101/828947

JavaScript wurde auf Ihrem Browser deaktiviert