Mikrostrukturen mit eingebetteten lebenden Zellen

ERC-Grant für Bio-Materialforschung

Mit Lasertechnologie will Aleksandr Ovsianikov an der TU Wien Mikrostrukturen mit eingebetteten lebenden Zellen bauen. Er erhält dafür einen der begehrtesten Europäischen Forschungspreise: Den ERC Starting Grant.

Das Verhalten von Zellen hängt stark von der Umgebung ab, in der sie sich befinden. Um Zellen zu untersuchen und zu beeinflussen ist es daher höchst wertvoll, sie in eine maßgeschneiderte Umgebung einbauen zu können. Aleksandr Ovsianikov entwickelt ein Laser-gesteuertes Verfahren, mit dem man Zellen gezielt in feine Strukturen einweben kann - ähnlich wie in natürlichem biologischen Gewebe, wo sie von der sogenannten "extrazellulären Matrix" umgeben sind. Wichtig ist das für die Züchtung von neuem Gewebe, für die Suche nach neuen Medikamenten oder für die Stammzellenforschung. Für dieses Projekt erhielt Ovsianikov nun einen ERC-Grant des European Research Council (ERC), der mit knapp 1,5 Mio. Euro dotiert ist.

High-Tech-Strukturen für die biomedizinische Forschung

Ein Laser härtet das flüssige Material genau am Fokuspunkt aus. (Bild: TU Wien)

"Zellen auf einer ebenen Fläche anzusiedeln, ist nicht schwer. Doch solche Zellkulturen benehmen sich anders als Zellen in einer dreidimensionalen Struktur", erklärt Alexandr Ovsianikov. Im Gegensatz zur klassischen 2D-Zell-Kultur in der Petrischale gibt es zur Zeit keine Standards für 3D-Systeme. Eine solche 3D-Struktur muss durchlässig sein, damit die Zellen mit allen notwendigen Stoffen versorgt werden können. Die Geometrie und die chemischen oder mechanischen Eigenschaften der Struktur sollen präzise angepasst werden können, um die Reaktion der Zellen auf die äußeren Bedingungen studieren zu können. Außerdem soll die 3D-Struktur rasch in großer Anzahl herstellbar sein, denn um verlässliche Ergebnisse zu erzielen, muss man Experimente an Zellen oft an vielen Zellkulturen gleichzeitig durchführen.

Genau diese Anforderungen kann die Forschungsgruppe "Additive Manufacturing Technologies" der TU Wien bestens erfüllen: Das interdisziplinäre Team entwickelt seit Jahren spezielle Fertigungstechniken, mit denen sich dreidimensionale Strukturen mit einer Präzision im Mikrometer-Bereich herstellen lassen.

Anzeige

Laser verhärtet Flüssigkeit

Zu Beginn schwimmen die Zellen in einer Flüssigkeit, die hauptsächlich aus Wasser besteht. Beigemischt sind zellverträgliche Moleküle, die auf eine ganz bestimmte Weise mit Licht reagieren: Ein fokussierter Laserstrahl lässt genau an den gewünschten Stellen chemische Doppelbindungen brechen. Eine chemische Kettenreaktion führt dann dazu, dass sich die Moleküle zu einem Polymer verbinden.

Um diese Reaktion auszulösen, müssen zwei Photonen des Laserlichts gleichzeitig absorbiert werden. Nur dort, wo das Laserlicht fokussiert ist, gibt es ausreichend viele Photonen für diesen Prozess. Material außerhalb dieses Bereichs wird dadurch nicht beeinflusst. "Dadurch können wir mit extrem hoher Präzision bestimmen, an welchen Stellen sich die Moleküle verkleben sollen und ein festes Netzwerk bilden", erklärt Ovsianikov.

Indem man den Fokus des Laserstrahls gezielt durch die Flüssigkeit lenkt, entsteht eine feste Struktur, in der die lebenden Zellen von Anfang an eingebaut sind. Die übrigen Moleküle, die nicht zu Polymeren verklebt wurden, können danach einfach weggewaschen werden. So kann man eine Struktur aus Hydrogelen bauen, ähnlich der extrazellulären Matrix, die unsere eigenen Zellen im lebenden Gewebe umgibt. Ideen aus der Natur werden im Labor imitiert und technologisch nutzbar gemacht: Diese Taktik - die Biomimetik - ist gerade in der Materialwissenschaft heute sehr gefragt. "Diese Technologie könnte in bestimmten Fällen auch Tierversuche unnötig machen, und dabei viel schnellere und aussagekräftigere Ergebnisse liefern", hofft Ovsianikov.

Hoffnungsgebiet Stammzellenforschung

Ein besonders spannendes Anwendungsgebiet ist die Stammzellenforschung: "Wir wissen heute, dass sich Stammzellen je nach Umgebung zu unterschiedlichen Gewebetypen weiterentwickeln können", sagt Aleksandr Ovsianikov. "So entwickeln sie sich etwa auf festerem Untergrund zu Knochenzellen, auf weicherem Untergrund zu Nervenzellen." In der Laser-generierten 3D-Struktur kann man die Steifigkeit des Untergrundes von Anfang an genau bestimmen und so möglicherweise ganz gezielt unterschiedliche Gewebetypen hervorbringen.

Litauen, Deutschland, Österreich

Entscheidend ist bei diesem Forschungsprojekt die Interdisziplinarität des Teams, zwischen Maschinenbau, Materialforschung, Biologie und Chemie. Die Möglichkeit, mit Expertenteams aus so unterschiedlichen Forschungsrichtungen unter einem Dach arbeiten zu können, war für Aleksandr Ovsianikov auch ein wichtiger Grund, nach Wien zu kommen. Seit zwei Jahren forscht der gebürtige Litauer nun an der TU Wien, vorher war er an der Universität Hannover beschäftigt, wo er auch seine Dissertation verfasste.

Hochdotierte Auszeichnung des Europäischen Forschungsrates

Das Forschungsprojekt von Alsksandr Ovsianikov wurde vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) nun mit einem "ERC Starting Grant" ausgezeichnet. Dieser hochdotierte Förderpreis wird an aufstrebende junge Forscherinnen und Forscher vergeben, die damit auf ihrem Weg zu akademischen Führungspositionen unterstützt werden sollen. Durch den ERC-Grant soll Ovsianikov nun in den nächsten fünf Jahren die Möglichkeit bekommen, rund um sich ein Forschungsteam aufzubauen und auf eine wissenschaftliche Abenteuerreise zwischen Materialwissenschaft und Zellbiologie zu gehen.

Review-Artikel über die Forschungsvorhaben von Aleksandr Ovsianikov auf Expert Reviews:
http://www.expert-reviews.com/doi/abs/10.1586/erd.12.48

Rückfragehinweise:
Dr. Aleksandr Ovsianikov
Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie Technische Universität Wien
Favoritenstr. 9-11
1040 Wien
aleksandr.ovsianikov@tuwien.ac.at

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Mikroplatten-Pipette

Manuell, aber mit Servomotor

Die Viaflo 96/384 Mikroplatten-Pipetten wurden für  Anwendungen  wie ELISA, PCR, Nukleinsäure- und Proteinextraktion entwickelt und optimiert. Mit ihrer intuitiven manuellen Bedienung erlauben diese Systeme die Übertragung ganzer Platten in einem...

mehr...

Einweg-Mahlbecher

Arzneimittel ICH Q3D-konform prüfen

Ab Dezember 2017 muss die ICH Q3D „Guideline for Elemental Impurities“ für bereits auf dem Markt befindliche Arzneimittel umgesetzt und die Überwachung der Schwermetallbelastung auf eine spezifische quantitative Kontrolle umgestellt werden.

mehr...
Anzeige

Effizienz und Leistung

Die neue Pioneer mit vielen Funktionen zum intelligenten Betrieb in Ihrem Labor. Mit antistatischem Stab zur Erdung. Weitere Informationen über die Waagen Pioneer PX

 

mehr...

Transfektionsreagenz

Gen-Silencing

Fuse-It-siRNA ist ein Transfektionsreagenz für schnelles und effizientes Gen-Silencing. Auch in sensitiven und schwierig zu transfizierenden Zellen, wie z.B. primären Keratinozyten, beweist es hohe Biokompatibilität.

mehr...
Anzeige

Killerzellen

Medium für die Kultivierung

Mit dem neuen NK MACS® Medium ermöglicht Miltenyi Biotec die spezifische Kultivierung von menschlichen natürlichen Killerzellen, den sogenannten NK-Zellen. Mit diesem Zellkulturmedium kann der Anwender von voll funktionsfähigen Zellen profitieren,...

mehr...
Anzeige

Highlight der Woche

Quadrupol-Massenspektrometer PrismaPro®
Mit dem PrismaPro bietet Pfeiffer Vacuum ein Quadrupol-Massenspektrometer für die qualitative und quantitative Gasanalyse sowie zur Lecksuche an.

Zum Highlight der Woche...
Anzeige

Highlight der Woche

Perfekte GCMS-Ergebnisse dank Shimadzu NX-Technologien
Shimadzu erweitert die Singlequad- und Triplequad-GCMS um den Gaschromatographen GC-2030. Damit werden Analysen präziser, Wartungsarbeiten vereinfacht und die Geräteauslastung maximiert.

Zum Highlight der Woche...