Neue Methode auf der Grundlage intelligenter Materialien für Experimente mit Zellen
Wissenschaftler von 4D-BIOMAP, einem ERC-Forschungsprojekt an der Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), haben eine neue experimentelle Methode entwickelt, die auf magnetoaktiven Polymeren basiert, um das Verhalten von Zellen zu untersuchen. Diese Verbindungen, die aus einer Polymermatrix (z. B. einem Elastomer) mit magnetischen Partikeln (z. B. Eisen) bestehen, reagieren mechanisch, indem sie ihre Form und Steifigkeit verändern. Dieses System könnte zur Untersuchung komplexer Szenarien (z. B. Gehirntrauma, Wundheilung usw.) oder zur Beeinflussung von Zellreaktionen und zur Steuerung ihrer Funktionen eingesetzt werden.
Das obere Bild zeigt die Kräfte, die durch ein externes Magnetfeld auf die im Material eingebetteten Partikel wirken. Diese Wechselwirkungen werden durch ein Computermodell simuliert, das den Herstellungs- und Versuchsprozess steuern kann (mittleres Bild). Schließlich werden die erzeugten Kräfte auf die auf dem intelligenten Material kultivierten Zellen übertragen (unteres Bild). Diese Einwirkung auf die Zellen führt zu Veränderungen oder zur Aktivierung ihrer biologischen Funktionen, wie z. B. Proliferation, Migration oder Orientierung, um nur einige zu nennen.
UC3M
"Wir haben es geschafft, die lokalen Verformungen zu reproduzieren, die im Gehirn auftreten, wenn es einem Aufprall ausgesetzt ist. Damit wäre es möglich, diese Fälle im Labor zu reproduzieren und in Echtzeit zu analysieren, was mit den Zellen geschieht und wie sie geschädigt werden. Außerdem haben wir das System validiert, indem wir gezeigt haben, dass es in der Lage ist, Kräfte auf die Zellen zu übertragen und auf sie einzuwirken", erklärt der für 4D-BIOMAP verantwortliche Forscher Daniel García González von der Abteilung Kontinuumsmechanik und Strukturanalyse der UC3M.
Die Idee dieses Projekts ist es, Studien durchzuführen, die komplexe biologische Prozesse durch ein neues, virtuell unterstütztes Experimentalsystem nachbilden, das eine nicht-invasive Kontrolle der mechanischen Umgebung in Echtzeit ermöglicht. Biologische Zellen und Gewebe sind ständig mechanischen Belastungen durch das sie umgebende Substrat ausgesetzt, so dass die Analyse und Kontrolle der Kräfte, die ihr Verhalten beeinflussen, einen Meilenstein für die "Mechanobiologie" darstellen würde.
Das von 4D-BIOMAP vorgeschlagene System basiert auf der Verwendung extrem weicher magneto-aktiver Polymere, die die Steifigkeit biologischer Materialien nachahmen. Dank ihrer Eigenschaften ermöglichen die magnetoaktiven Materialien den Forschern eine uneingeschränkte Überwachung biologischer Substrate, da die angewandten mechanischen Veränderungen während der Experimente reversibel sein können.
"Gestützt auf das Berechnungsmodell haben wir all diese wissenschaftlichen Grundlagen genutzt, um ein intelligentes Antriebssystem zu entwerfen, das es uns in Verbindung mit einem im ERC entwickelten Mikroskop ermöglicht, die zelluläre Reaktion in situ zu visualisieren. Auf diese Weise haben wir einen umfassenden Rahmen für die Stimulierung zellulärer Systeme mit magnetoaktiven intelligenten Materialien geschaffen", sagt Daniel García González. Dieser vorgeschlagene Rahmen ebnet den Weg zum Verständnis der komplexen "mechanobiologischen" Prozesse, die bei dynamischen Deformationszuständen auftreten, wie z. B. bei traumatischen Hirnverletzungen, pathologischer Vernarbung der Haut oder fibrotischem Umbau des Herzens während eines Myokardinfarkts.
Forscher der University of the West of England (UWE) in Bristol, des Imperial College London und des Instituto de Investigacion Sanitaria Gregorio Marañon de Madrid (Gregorio Maranon Health Research Institute in Madrid) haben an der wissenschaftlichen Veröffentlichung dieser Fortschritte mitgewirkt, die kürzlich in der Zeitschrift Applied Materials Today erschienen ist. An der UC3M sind die Dozenten Miguel Ángel Moreno, Jorge González, Clara Gomez, Maria Luisa López und Ángel Arias aus dem Fachbereich Kontinuumsmechanik und Strukturanalyse sowie Arrate Muñoz und Diego Velasco aus dem Fachbereich Bioengineering und Luft- und Raumfahrttechnik beteiligt.
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