Forschung & Entwicklung

Laser lenkt Zellwachstum in geordnete Bahnen

Eine Laserstrahltechnik, mit der gezielt winzige Strukturen hergestellt werden können, in welchen sich lebende Zellen vermehren, wurde nun deutlich verbessert.

Zellen in einer Petrischale wachsen zu lassen ist einfach – aber es gibt einen gravierenden Nachteil: Man ist auf zwei Dimensionen beschränkt. Will man dreidimensionale Strukturen wachsen lassen, etwa um den Stofftransport in einem Gewebe zu studieren oder gar um kleine Blutkapillaren zu erzeugen, dann muss man die Zellen dreidimensional anordnen und ihnen dafür das passende Gerüst bieten.

Erreichen kann man das, indem man sogenannte Hydrogele mit Laserstrahlen gezielt zurechtformt. Diese Technik konnte nun an der Technischen Universität (TU) Wien deutlich verbessert werden – mithilfe eines Zusatzstoffes, der die Empfindlichkeit des Hydrogels gegenüber dem Laserlicht erhöht. Das Forschungsprojekt war eine Zusammenarbeit der TU Wien und der Universität Uppsala.

„Hydrogele sind Polymere mit lockerer Molekülstruktur. Man kann sie sich wie ein dreidimensionales Netzwerk vorstellen, in dem sich lebende Zellen stützen und festhalten lassen“, erklärt Markus Lunzer von der TU Wien. Damit die Zellen sich so verhalten, wie man das möchte, muss man diese Hydrogele aber oft auf der Mikrometerskala manipulieren – etwa indem man Kanäle im Hydrogel anlegt, in die Zellen hineinwachsen können, oder durch die sie mit Nährstoffen versorgt werden.

An der TU Wien verwendet man dafür eine spezielle Lasertechnik: Der Laserstrahl wird auf einen Punkt im Hydrogel fokussiert. Genau dort, wo der Laserstrahl am intensivsten ist, wird eine chemische Reaktion angeregt. Eine eigens dafür ins Hydrogel eingebaute spaltbare Gruppe wird abgelöst, und das Hydrogel löst sich am gewünschten Punkt auf. „Wir verwenden eine chemische Reaktion, die nur dann abläuft, wenn gleichzeitig am selben Ort zwei Photonen aus dem Ultrakurzpulslaserstrahl absorbiert werden“, sagt Markus Lunzer. „Die Wahrscheinlichkeit dafür ist fast überall extrem niedrig – nur exakt am Fokuspunkt des Laserstrahls ist sie ausreichend hoch. Dadurch erreichen wir eine ausgezeichnete Präzision und können mit Licht gezielt winzige Kanäle ins Hydrogel fräsen.“

Normalerweise ist dieser Prozess aber recht ineffizient und deshalb langsam. Das Team der TU Wien fand nun aber einen entscheidenden Trick: „Wir fügen dem Hydrogel einen sogenannten Sensitizer hinzu“, sagt Aleksandr Ovsianikov. Das ist ein Molekül, das dabei hilft, die Energie des Lichts auf das Hydrogel zu übertragen. Mithilfe dieses Zusatzstoffs kann derselbe Vorgang in kürzerer Zeit ablaufen – oder in derselben Zeit wie bisher, aber mit deutlich geringerer Energie. Das kann sinnvoll sein, wenn man die lebenden Zellen in der Umgebung schonen möchte, die von allzu starkem Laserlicht geschädigt werden könnten. Das Team konnte zeigen, dass man auf diese Weise winzige Strukturen in der Größenordnung von wenigen Mikrometern ins Hydrogel fräsen kann.

Es gibt bereits zahlreiche Ideen für weitere medizinische Forschungsprojekte, die sich auf die neue Methode stützen sollen. So will man in Zukunft die Zellumgebung auch noch zeitlich variabel gestalten, sodass man während des Zellwachstums die Eigenschaften der Hydrogelstruktur kontrolliert anpassen kann.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Lunzer, L. Shi, O. G. Andriotis, P. Gruber, M. Markovic, P. J. Thurner, D. Ossipov, R. Liska, A. Ovsianikov, A Modular Approach to Sensitized Two-Photon Patterning of Photodegradable Hydrogels, Angew. Chem. (2018), DOI: 10.1002/anie.201808908]

www.tuwien.ac.at

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