När biologer studerar celler i mikroskop, tittar de på dem på plana ytor som inte liknar miljön inuti människokroppen. Nu har forskare vid NTNU hittat ett sätt att efterlikna vissa aspekter av en cells inhemska miljö med hjälp av små polymerpelare. Deras arbete, finansierat av Norges forskningsråd, publiceras i tidskriften Nanoscale Research Letters .

"Celler i människokroppen är inbäddade i en komplex matris av molekyler", säger Pawel Sikorski, professor vid institutionen för fysik vid NTNU. Denna miljö – känd som den extracellulära matrisen – är ett dynamiskt stödnätverk för celler, som inte bara tillhandahåller fysiska ställningar för vävnader och organ att växa utan också förmedlar signaler för att hjälpa celler att kommunicera med varandra. Även om man tar ut celler ur den extracellulära matrisen och lägger dem på plana ytor gjorda av glas gör det möjligt för forskare att studera dem i labbet, men det betyder att vi kan gå miste om att observera många cellulära processer.

"Glas är väldigt hårt och cellen kommer att känna att substratet inte deformeras när det försöker dra i det", säger Sikorski. "Det inducerar vissa typer av beteende och inducerar även vissa typer av processer i cellerna. De kommer att bete sig annorlunda om de placerades på något som är elastiskt och mjukt och som kan deformeras och omformas."

Det betyder att om forskare vill förstå hur celler beter sig i sin inhemska miljö behöver de ett substrat som replikerar biologin närmare. Att bädda in celler i hydrogeler - till exempel 3D-nätverk av gelatinliknande polymerer - är ett alternativ. Men att studera celler i en hydrogel är inte lika lätt som att titta på dem på ett enkelt objektglas under ett optiskt mikroskop. "Om du vill se vad som händer blir det ganska utmanande", säger Sikorski.

Skapa strukturer i en tunn polymerfilm

Att efterlikna några av de mekaniska aspekterna av mjukare substrat med nanostrukturer är ett möjligt sätt att ta itu med detta problem – och det är precis vad Sikorski och Ph.D. student Jakob Vinje har gjort, i samarbete med cellbiologerna Noemi Antonella Guadagno och Cinzia Progida vid Universitetet i Oslo. Vinje täckta glasskiva i små pelare gjorda av en polymer känd som SU-8. Dessa nanopelare – var och en med en diameter på bara 100 nanometer vid spetsen – tillverkades med elektronstrålelitografi vid NTNU NanoLab, där en fokuserad elektronstråle skapar strukturer i en tunn polymerfilm.

"Per millimeter kvadrat har du redan ganska många pelare, och om du vill studera celler måste vi göra ytor som är minst i storleksordningen 10 gånger 10 millimeter", säger Sikorski. "Verktygen i NTNU NanoLab är avgörande för att detta ska vara möjligt."

Forskarna skapade substrat med en mängd olika nanopelararrangemang och testade dem med hjälp av celler som producerar fluorescerande proteiner. Genom att titta på cellerna under ett mikroskop analyserade forskarna formen, storleken och fördelningen av de punkter där cellen fäster vid de olika ytorna.

Tätt packade pelare

Efter att ha gjort hundratals observationer av celler på de olika ytorna fann forskarna att substrat med tätt packade nanopelare närmast efterliknade en mjukare yta. "Om vi ​​gör ett substrat med täta pelare så beter sig cellerna som om de vore på ett mycket mjukare underlag", säger Sikorski.

Skönheten med de nanopelartäckta substraten är deras enkelhet - i teorin kan biologer helt enkelt byta ut sina vanliga glasbilder mot de nya. "Den har fler funktioner och mer justerbarhet än ett glassubstrat, men det är fortfarande relativt enkelt", säger Sikorski.

Han säger att det yttersta målet skulle vara att forskare skulle kunna "bara öppna förpackningen och ta ut en av dem, sätta på sina celler, studera den under mikroskopet och sedan slänga den när de är klara." Men för att det ska bli verklighet måste substraten produceras i hundratals till en relativt låg kostnad.

Hittills har forskarna bara gjort ett litet antal prototyper, men det finns befintliga metoder – som en lågkostnadsteknik med hög genomströmning för att göra nanoskalamönster som kallas nanoimprintlitografi – som skulle kunna göra uppskalning av produktionen av substraten möjlig.

Förutom att låta biologer studera celler på ett nytt sätt, skulle substraten kunna användas för att utveckla bättre sätt att screena läkemedel. För att hitta ett läkemedel som stoppar celler att klibba till en viss yta, till exempel, kan ett nanopelartäckt substrat efterlikna den ytan och sätta potentiella läkemedel på prov. + Utforska vidare

Få ut mesta möjliga terapeutiska potential ur celler