Biomechanik im Lab-on-a-Chip-System Druckkammer für Körperzellen: komprimierbare Hydrogel-Mikrostrukturen

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Max-Planck-Institut f.d.Physik des Lichts

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Auch wenn wir es nicht merken: die Zellen unseres Körpers stehen unter Druck. Denn mechanische Kräfte steuern zahlreiche wichtige biologische Prozesse. Mit einem neu entwickelten Hydrogel lassen sich diese Kräfte nun gezielt im Laborexperiment nachstellen. Das Lab-on-a-Chip-System soll helfen, Gewebestörungen früher zu erkennen und neue Therapien zu entwickeln.

Jedes Lebewesen ist wie ein hochspezialisiertes Bauwerk: Statt Räume gibt es Organe und Gewebe, und die sind aus kleineren Bausteinen zusammengesetzt, den Zellen. Letztere liegen aber nicht einfach so aneinander. Vielmehr sind die Zellen innerhalb von Geweben in komplexe, dreidimensionale Strukturen eingebettet, die so genannte extrazelluläre Matrix. Ihre biomechanischen Interaktionen spielen eine entscheidende Rolle bei zahlreichen biologischen Prozessen.

Wissenschaftlerinnen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) haben nun ein neues Lab-on-a-Chip-System auf Basis intelligenter Hydrogelstrukturen entwickelt, mit dem sich präzise Druckkräfte auf zelluläre Mikroumgebungen ausüben lassen. Die kürzlich vorgestellte Methode könnte künftig Anwendungen in der medizinischen Diagnostik bei mechanischen Störungen in lebenden Geweben finden.

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Die mechanische Umgestaltung der extrazellulären Mikroumgebung spielt eine entscheidende Rolle bei biologischen Prozessen. Sie hilft etwa dabei, physiologischer Gleichgewichtszuständen zu entwickeln oder aufrechtzuerhalten(Homöstase) und unterstützt zudem die Wundheilung. Ihre Nachbildung im Labor kann Aufschlüsse über die Ursachen pathologischer Veränderungen liefen.

Bisherige instrumentelle Methoden ließen sich jedoch nicht in Lab-on-a-Chip-Systeme integrieren und boten nur begrenzte Genauigkeit. Das Team um Dr. Katja Zieske, Leiterin der unabhängigen Forschungsgruppe „Molekulare Biophysik & Lebende Materie“ am MPL, präsentiert nun eine neue Methode, mit der sich räumlich und zeitlich kontrollierte mechanische Störungen biologischer Polymernetzwerke auf einem Lab-on-a-Chip-System simulieren lassen. Biologische Prozesse können bei solchen Störungen so mikroskopisch untersucht werden.

Hydrogele als Mikromaschinen

Die Wissenschaftler nutzen intelligente Hydrogel-Mikrostrukturen. Diese leistungsstarken Materialien bestehen aus Polymeren, die auf Reize wie Licht oder Temperatur mit einer Änderung ihrer Struktur reagieren. Je nach Impuls ziehen sie sich zusammen oder dehnen sich aus. Diese Eigenschaften machten sich die Forschenden am MPL zunutze, um gezielt definierte biomechanische Krafteinwirkung auf biologische Polymernetzwerke wie Kollagen auszuüben. Zusätzlich haben die Wissenschaftler die Kompatibilität des Systems mit lebenden Zellen evaluiert.

Zunächst hat das Team um Zieske thermoresponsive Hydrogel-Mikrostrukturen in Strömungskammern hergestellt und optimiert. Die Forscher testeten, wie sich die Hydrogel-Mikrostrukturen ausdehnten, etwa unter zeitlich kontrolliertem Temperaturreiz zur Kompression zu verschieden Molekülnetzwerken. Ein solches Netzwerk ist zum Beispiel Matrigel, eine gelartige Proteinmischung, sowie ein Kollagennetzwerk.

Nach Komprimierung maßen die Wissenschaftler die jeweilige Verformung. Während sich Matrigel plastisch verformte, entspannte sich Kollagen elastisch. Durch diese Nachahmung von zellulären Druckkräften mittels intelligenter Hydrogel-Mikrostrukturen, liefert das Team um Zieske ein neues vielseitiges System für Forschungszwecke. Gegenstand künftiger Studien können einerseits die Umgestaltung der extrazellulären Matrix als auch die Auswirkungen mechanischer Kräfte auf ihre zelluläre Mikroumgebung sein – sowohl im physiologischen als auch in pathologischen Kontext.

„Großes Potenzial für den diagnostischen Einsatz“

„Unsere Methode erlaubt es, mechanische Kräfte mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision zu erzeugen und die Auswirkungen auf biologische Systeme zu erfassen. In Kollagen konnten wir Veränderungen, die durch diese Kräfte ausgelöst wurden, noch in Distanzen von hunderten Mikrometer Entfernung nachweisen, indem wir fluoreszierende Mikrokügelchen verfolgten“, sagt Vicente Salas-Quiroz, Erstautor der vorgestellten Arbeit.

„Unsere Vision ist es, smarte Mikrostrukturen für die medizinische Diagnostik zu entwickeln, um einen Beitrag zu einem zukunftsfähigen Gesundheitssystem zu leisten – etwa bei der Untersuchung von 3D-Zellmodellsystemen, wie Krebsmodellen und Modellen für die Blutgefäßbildung“, ergänzt Zieske. „Intelligente Hydrogel-Mikrostrukturen in Lab-on-a-Chip-Systemen könnten künftig als Mikromaschinen dienen, um Gewebemodelle auf der Mikrometer-Skala zu manipulieren. Wir sehen hier großes Potenzial für den diagnostischen Einsatz.“

Originalpublikation:Vicente Salas-Quiroz, Katharina Esch, and Katja Zieske. Stimulus-induced mechanical compaction of biological polymer networks via smart hydrogel microstructures, Lab Chip, 2025,25, 5894-5905; DOI: 10.1039/D5LC00477B

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