Genom att använda en ny typ av "krympstråle", UT Austin-forskare kan ändra ytan på en hydrogelkudde i realtid, skapa spår (blå) och andra mönster utan att störa levande celler, såsom denna fibroblastcell (röd) som modellerar beteendet hos mänskliga hudceller. Snabbt uppträdande av sådana ytegenskaper under celltillväxt kan efterlikna de dynamiska förhållanden som upplevs under utveckling och reparation av vävnad (t.ex. vid sårläkning och nervåterväxt). Kredit:Jason Shear/University of Texas at Austin.
Från "Fantastic Voyage" till "Despicable Me, "krympstrålar har varit en science-fiction stapelvara på skärmen. Nu har kemister vid University of Texas i Austin utvecklat en riktig krympstråle som kan ändra storleken och formen på ett block av gelliknande material medan mänskliga eller bakteriella celler växer på Det här nya verktyget lovar biomedicinska forskare, inklusive de som vill belysa hur man odlar ersättningsvävnader och organ för implantat.
"Att förstå, och i framtiden ingenjör, hur celler reagerar på de fysiska egenskaperna i sin miljö, du vill ha material som är dynamiskt omformbara, "sa Jason B. Shear, professor i kemi och meduppfinnare av det nya verktyget.
Verket publicerades online idag i Journal of the American Chemical Society .
Den verkliga kraften i att krympa materialet som används för att odla celler – kallat substratet – är inte så mycket i att göra det mindre som det är i att selektivt ändra formen och strukturen på ytan. Genom att kontrollera exakt vilka delar av materialets insida som krymper, forskarna kan skapa specifika 3D-funktioner på ytan inklusive stötar, spår och ringar. Det är som att nypa en matta underifrån för att bilda toppar och dalar på ytan.
Forskarna kan också ändra platsen och formerna för ytegenskaper allt eftersom tiden går, till exempel att förvandla ett berg till en mullvad eller till och med ett slukhål, efterliknar den dynamiska naturen i miljön där celler vanligtvis lever, växa och röra på sig.
Riktad exponering för den nya "krympstrålen" reducerar selektivt gelliknande proteinkuddar i hörnen och mittpositionen av ett tic-tac-toe-arrangemang. Varje dyna är ungefär lika stor som en mänsklig cell. Kredit:Jason Shear/University of Texas at Austin.
Krympstrålen är en nära-infraröd laser som kan fokuseras på små punkter inuti substratet. Substratet ser ut och beter sig lite som ett block av Jell-O. På det mikroskopiska planet, den är gjord av proteiner som är blandade och sammanflätade som en hög garn. När lasern träffar en punkt i substratet, nya kemiska bindningar bildas mellan proteinerna, dra in dem tätare, en förändring som också förändrar ytformen när den dras på underifrån. Forskare skannar lasern genom en serie punkter i substratet för att skapa valfri ytkontur var som helst i förhållande till målceller.
Till skillnad från andra metoder för att förändra substratet under levande celler, UT Austins krympstråle värmer inte eller förändrar inte ytan kemiskt, skadar levande celler eller gör att celler lossnar från ytan. Och det tillåter bildandet av vilket 3D-mönster som helst på begäran samtidigt som man tittar på de växande cellerna genom ett mikroskop.
UT Austin-forskarnas omedelbara planer är att använda verktyget för att undersöka grundläggande vetenskapliga frågor kring celltillväxt och migration, insatser som skulle kunna möjliggöra olika framtida medicinska tillämpningar. Till exempel, tillvägagångssättet kan leda till material och procedurer som främjar sårläkning eller nervåterväxt, eller hjälpa till att växa och framgångsrikt implantera ersättningsvävnader, såsom hud- eller hjärtklaffar.
"För att få vävnader att växa i en skål som kommer att vara effektiv när den väl implanterats, vi måste först förstå, då bättre efterlikna miljön där de vanligtvis utvecklas i våra egna kroppar, sa Shear.
En annan potentiell tillämpning skulle vara i grundforskning om hur en ytas topografi påverkar bildandet av farliga bakteriekolonier som kallas biofilmer. Mikrobiella biofilmer – täta, klibbiga mattor av bakterier som bildas på medicinsk utrustning och kan leda till svårbehandlade infektioner – bidrar till sjukhusburna infektioner för upp till 1 miljon människor i USA årligen. Om forskare bättre kan förstå vilka topografiska egenskaper som hindrar biofilmer från att bildas, och hur funktioner som förändras över tiden kan påverka processen, de kanske kan utveckla beläggningar för biomedicinska apparater som blockerar deras bildning och förhindrar svårbehandlade infektioner.
