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Zellkultivierung Dritte Dimension in gezielter Zellkultivierung realisiert

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es Forschern des DFG-Centrums für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) gelungen, gezielt Zellen auf dreidimensionalen Strukturen zu kultivieren. Dies ist ein wichtiger Schritt zum allgemeinen Verständnis, wie die natürliche dreidimensionale Umgebung im Gewebe das Verhalten von Zellen beeinflusst.

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Zelle im Zweikomponenten-Polymergerüst. Die Fotomontage basiert auf einer Raster-Elektronen-Mikroskop- und einer Laser-Scanning-Mikroskop-Aufnahme. (Bild: CFN)
Zelle im Zweikomponenten-Polymergerüst. Die Fotomontage basiert auf einer Raster-Elektronen-Mikroskop- und einer Laser-Scanning-Mikroskop-Aufnahme. (Bild: CFN)

Karlsruhe – Die Karsruher Forscher haben dabei den Zellen Mikrometer kleine „Griffe“ am Gerüst angeboten, an denen sie anhaften können – und zwar nur an diesen, am restlichen Gerüst finden sie keinen Halt. Dadurch wird die Zellhaftung und somit die Zellform erstmalig präzise in 3D beeinflusst. Damit ist dem Team um Prof. Martin Bastmeyer ein großer Fortschritt im Bereich des Biomaterial-Engineerings gelungen.

Bisherige Ansätze nur unzureichend strukturell und biochemisch untersucht

Bisher existieren bereits zahlreiche Ansätze für die Zellkultur in dreidimensionalen Umgebungen, die meist aus Agarose, Kollagenfasern oder Matrigel hergestellt werden. Sie sollen die flexible dreidimensionale Wirklichkeit, in der Zellen normalerweise agieren, simulieren und damit realitätsnähere Versuche ermöglichen, als dies mit Zellkulturen in „zweidimensionalen Petrischale“ möglich ist. Allerdings ist diesen Ansätzen bisher eines gemeinsam: Sie sind meist heterogen zusammengesetzt und weisen zufällige Porengrößen auf. Daher sind sie strukturell und biochemisch schlecht charakterisiert.

Ziel für die Forschungsgruppe Bastmeyer war es nun, definierte dreidimensionale Wachstumssubstrate für die Zellkultur zu entwickeln. Zellen sollen sich darin nicht zufällig, sondern nur an bestimmten Stellen anheften. So lassen sich Parameter wie Zellform, Zellvolumen, intrazelluläre Kraftentwicklung oder zelluläre Differenzierung systematisch in Abhängigkeit von der äußeren Geometrie der Umgebung bestimmen. Diese Erkenntnisse sind nützlich, um später gezielt dreidimensionale Wachstumsumgebungen für Gewebekulturen, die beispielsweise in der regenerativen Medizin benötigt werden, in größerem Maßstab herzustellen.

Spezielles Gerüst durch Verfahren des direkten Laserschreibens hergestellt

Dieses Ziel wurde mithilfe eines speziellen Polymergerüsts verwirklicht. Das Gerüst selbst besteht aus einem flexiblen, proteinabweisenden Polymer mit kleinen quaderförmigen Griffen aus einem proteinbindenden Material. Den Gerüstbau vollzogen die Wissenschaftler mithilfe des am CFN von den Physikern Prof. Martin Wegener und Prof. Dr. Georg von Freymann entwickelten Verfahrens des Direkten Laserschreibens (DLS). Mit diesem war es möglich, eine proteinabweisende Struktur zu fabrizieren, die aus 25µm hohen Pfosten besteht, die in unterschiedlichen Höhen mit dünnen Sprossen verbunden sind. In einem zweiten Lithograpie-Schritt wurden dann die Haftgriffe exakt in der Mitte der Sprossen platziert. Mithilfe einer Lösung von Haftungsproteinen binden die Proteine nur an diesen kleinen Griffen. Einzelne Zellen besiedeln dann innerhalb von zwei Stunden das Gerüst und adhärieren nur an den vorgegeben Haftpunkten.

Mit dieser Grundlagenforschung haben die CFN-Wissenschaftler erstmalig geeignete Materialien angefertigt, in dem das Wachstum einzelner Zellen gezielt dreidimensional kontrolliert und manipuliert werden kann. Dies ist ein wichtiger Schritt zum allgemeinen Verständnis, wie die natürliche dreidimensionale Umgebung im Gewebe das Verhalten von Zellen beeinflusst.

Originalveröffentlichung: Klein, F., Richter, B., Striebel, T., Franz, C. M., Freymann, G. v., Wegener, M. and Bastmeyer, M., Two-Component Polymer Scaffolds for Controlled Three-Dimensional Cell Culture. Advanced Materials, Volume 23, Issue 11, pages 1341–1345, March 18, 2011, DOI: 10.1002/adma.201004060

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