Punktgenaue Andockstellen für Zellen

6. November 2013
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Die Petrischale bietet vielen Zelltypen nicht den idealen Lebensraum. Untersuchungen verlieren dadurch an Aussagekraft, da sich Zellen auf einer flachen Plastikfläche anders verhalten als etwa im verästelten Lungengewebe. Forscher stellten diesbezüglich nun Verfahren vor.

Die entwickelten Verfahren sollen dazu dienen, dreidimensionale Strukturen gezielt für bestimmte Zelltypen je nach Bedarf attraktiv oder abstoßend zu machen. „Wir können nun schnell und präzise die ideale Petrischale für einzelne Zellen bauen“, erläutert Barner-Kowollik. Sein und Martin Bastmeyers Team von Chemikern und Biologen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelte das neue photochemische Verfahren der Oberflächenkodierungen. Es erlaubt präzise Modifikation von dreidimensionalen Mikrogerüsten. „Die maßgeschneiderte Strukturierung von Haftpunkten für Zellen ermöglicht es, das Verhalten einzelner Zellen in einer realitätsnahen Umgebung zu untersuchen“, erklärt Bastmeyer.

Dabei ähnelt die „Petrischale“ mittlerweile einem Miniatur-Seilgarten von maximal einem fünfzigstel Millimeter Größe. Zellen lassen sich dort isoliert zwischen den Traversen aufhängen und ohne störende Einflüsse beobachten. Durch die passende Beschichtung von Traversen und Masten werden die Zellen am gewünschten Platz gehalten und gegebenfalls Wachstumsimpulse gesetzt. „Wir können so beispielweise die Bewegung und Kraft einzelner Zellen untersuchen“, so Bastmeyer.

Ganzer Werkzeugkasten

Zur Konstruktion und Beschichtung der Petrischale mit nanometergenauer Auflösung nutzen die Zell-Forscher und Polymerchemiker ein direktes Laser-Schreibverfahren aus der Nanooptik, das am KIT in der Arbeitsgruppe von Martin Wegener entwickelt wurde. Das dreidimensionale Gerüst entsteht an den Stellen, an denen sich zwei Laserstrahlen in einem Photolack kreuzen und damit den Lack aushärten. Für die Beschichtung des Gerüstes werden von dem Team um Barner-Kowollik und Martin Bastmeyer verschieden bioaktive Moleküle genutzt, die um eine photoaktive Gruppe ergänzt wurden: Nur an die Stellen der Petrischale, die der Laserstrahl beleuchtet, wird die Kopplung aktiviert und die bioaktiven Moleküle binden sich chemisch fest an die Oberfläche. Die physikochemischen Oberflächeneigenschaften und damit Parameter wie Flexibilität oder die dreidimensionale Anordnung von Zellhaftpunkten können durch die modernen photochemischen Verfahren nach Wunsch und mit einer hohen örtlichen Auflösung verändert werden.

In mehreren Veröffentlichungen stellt das Team einen ganzen Werkzeugkasten an photochemischen Oberflächenkodierungsverfahren vor. Dieser ermöglicht es, chemische Bindungen örtlich kontrolliert und effizient zu knüpfen, ohne dass Katalysatoren oder erhöhte Temperaturen notwendig werden. Je nach Anwendungsfall lassen sich weitere Vorteile realisieren, etwa Maximierung der Kupplungseffizienz, eine Beschleunigung der Photoreaktion, eine direkte Kupplung mit unmodifizierten Biomarkern, eine Reduzierung der chemischen Synthesearbeit sowie die Ausweisung von Bereichen, an denen keine Zellanhaftung stattfinden kann.

Originalpublikationen:

Three-Dimensional Microscaffolds Exhibiting Spatially Resolved Surface Chemistry
M. Bastmeyer et al.; M. Adv. Mater., doi: 10.1002/adma.201302678; 2013

Controlled Cell Adhesion on Poly(dopamine) Interfaces Photopatterned with Non-Fouling Brushes
Christopher Barner-Kowollik et al.; C. Adv. Mat., DOI: 10.1002/adma.201302492; 2013

Spatially controlled surface immobilization of nucleophiles via trapping of photo-generated thioaldehydes
Christopher Barner-Kowollik et al.; C. Chem. Sci., DOI: 10.1039/C3SC50815C; 2013

Spatially Controlled Surface Immobilization of Nonmodified Peptides
Christopher Barner-Kowollik et al.; Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201302040; 2013

(Bio)Molecular Surface Patterning by Phototriggered Oxime Ligation
Christopher Barner-Kowollik et al.; Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201202684; 2012

Adding Spatial Control to Click Chemistry: Phototriggered Diels–Alder Surface (Bio)functionalization at Ambient Temperature
Christopher Barner-Kowollik et al.; Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201107095; 2012

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