Cellernas beteende styrs av deras omgivning. Förutom biologiska faktorer eller kemiska ämnen, fysiska krafter som tryck eller spänning är också inblandade. Forskare från Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och Heidelberg University utvecklade en metod som gör det möjligt för dem att analysera påverkan av yttre krafter på enskilda celler. Med hjälp av en 3D-utskriftsprocess, de producerade mikroställningar, var och en har fyra pelare på vilka en cell finns. Utlöst av en extern signal, en hydrogel inuti ställningen sväller och skjuter isär pelarna, så att cellen måste "töjas". Arbetet är en del av "3-D Matter Made to Order" (3DMM2O) Cluster of Excellence. Forskarna rapporterar om sina resultat i Vetenskapliga framsteg .

Många cellulära biologiska processer, såsom sårläkning eller utveckling av vävnad, påverkas starkt av miljöns egenskaper. Celler reagerar, till exempel, till biologiska faktorer eller kemiska ämnen. Dock, forskning fokuserar alltmer på fysiska krafter som verkar på cellerna:Hur anpassar cellerna sig exakt till dessa krafter?

Inom ramen för det tysk-japanska universitetskonsortiet HeKKSaGOn och i samarbete med australiensiska forskare, 3DMM2O -teamet har tagit ett särskilt genialt förhållningssätt till denna fråga. För tillverkning av deras cell "stretching rack" använde de "direkt laserskrivning, "en speciell 3D-utskriftsprocess där en datorstyrd laserstråle fokuseras till en speciell skrivarbläckvätska. Dess molekyler reagerar endast vid de exponerade områdena och bildar ett fast material där. Alla andra områden förblir flytande och kan tvättas bort . "Detta är en etablerad metod i vårt Cluster of Excellence för att bygga tredimensionella strukturer-på mikrometerskalan och nedan, "förklarar Marc Hippler från KIT Institute of Applied Physics, huvudförfattare till publikationen.

I det aktuella fallet, forskarna använde tre olika skrivarfärger:Det första bläcket, tillverkad av proteinavvisande material, användes för att bilda själva mikroställningen. Med hjälp av ett andra bläck av proteindragande material, de producerade sedan fyra horisontella stänger som är anslutna till en av ställningsstolparna vardera. Cellen är förankrad i dessa fyra staplar. Den riktiga showstopparen, dock, är det tredje bläcket:Forskarna använde det för att ”skriva ut” en massa inuti ställningen. Om de sedan tillsätter en speciell vätska, hydrogel sväller. Den utvecklar alltså en kraft som är tillräcklig för att flytta pelarna - och stängerna med dem. Detta, i tur och ordning, har effekten av att sträcka ut cellen som är fixerad på staplarna.

Celler motverkar deformation

Forskarna i Cluster of Excellence placerade två helt olika celltyper på sitt mikrosträckningsställ:mänskliga bentumörceller och embryonala musceller. De fann att cellerna motverkar de yttre krafterna med motorproteiner och därmed kraftigt ökar deras dragkrafter. När den yttre töjningskraften avlägsnas, cellerna slappnar av och återgår till sitt ursprungliga tillstånd. "Detta beteende är en imponerande demonstration av förmågan att anpassa sig till en dynamisk miljö. Om cellerna inte kunde återhämta sig, de skulle inte längre fylla sin ursprungliga funktion - till exempel sårstängning, "säger professor Martin Bastmeyer från Zoological Institute of KIT.

Som teamet ytterligare upptäckte, ett protein som kallas NM2A (icke-muskel myosin 2A) spelar en avgörande roll för cellernas svar på mekanisk stimulering:Genetiskt modifierade bentumörceller som inte kan producera NM2A kunde knappt motverka den yttre deformationen.

Arbetet i excellensklustret utfördes av forskare från Heidelberg från biofysisk kemi samt fysik och cell- och neurobiologi från KIT. Medlemmar av det tysk-japanska universitetskonsortiet HeKKSaGOn inkluderar, bland andra, Heidelbergs universitet, Karlsruhe Institute of Technology och Osaka University.