Programmierbare DNA-Hydrogelmaterialien für realistische Ex-vivo-Gewebemodelle

Der Professor-Franz-Brandstetter-Preis 2022 für die beste am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF) angefertigte Masterarbeit wird an Frau Yu-Hsuan Peng verliehen. Sie erhält die Auszeichnung für ihre herausragende Masterarbeit „Development of programmable DNA-crosslinked hydrogels for biomedical applications“.

Yu-Hsuan Peng beschreibt in ihrer von Dr. Elisha Krieg betreuten Masterarbeit eine neue Klasse weicher, mit DNA vernetzter polymerer Hydrogelmaterialien. Im Rahmen ihres durch das BMBF geförderten Projekts untersuchte sie die Eigenschaften dieser Materialklasse mit Hilfe der Oszillationsrheologie. Sie schaffte damit die Grundlagen für deren Anwendung als weiche Matrix, in der die Entwicklung biologischer Zellen untersucht und gesteuert werden kann.

Die In-vitro-Kultur von biologischen Zellen ist von großer Bedeutung für die biologische Forschung. Sie hilft dabei, das zelluläre Verhalten unter kontrollierten Bedingungen im Labor zu untersuchen und potenzielle Medikamente zu testen, wodurch die Notwendigkeit von Tierversuchen reduziert werden kann. Derzeit verfügbare Hydrogelmaterialien haben jedoch erhebliche Einschränkungen. Sie werden oft aus veränderlichen biologischen Quellen gewonnen und lassen ihre mechanischen Eigenschaften nur schwer einstellen. Dies beeinträchtigt die Reproduzierbarkeit von In-vitro-Experimenten und schränkt die Nutzbarkeit der Zellkultur für die personalisierte Medizin stark ein. Daher besteht ein dringender Bedarf an neuen Ansätzen für die Schaffung weicher biokompatibler Materialien mit vorhersagbaren Eigenschaften.

Yu-Hsuan Peng fand einen Weg, molekulare Netzwerke zu bilden, deren mechanische Eigenschaften präzise durch die Zugabe künstlicher DNA-Moleküle gesteuert werden können. Dieses Material kann leicht hergestellt und auch wieder abgebaut werden. Auf mikroskopischer Ebene hat das Material unzählige „Sollbruchstellen“. Hierdurch ist es verformbar und selbstheilend, und es lässt sich zudem unter milden zellverträglichen Bedingungen im 3D-Druck zu komplexen strukturellen Grundgerüsten für die Gewebekultur verarbeiten.

Experimente mit menschlichen Stammzellen belegen die Zellkompatibilität des Materials. Mithilfe der einstellbaren Steifigkeit und Verformbarkeit des Hydrogels lassen sich die Bedingungen in weichen biologischen Geweben präzise nachbilden und dynamisch an die Bedürfnisse der Zellen anpassen. Zusammengenommen weisen die „programmierbaren“ Eigenschaften des Materials auf ein vielversprechendes Potenzial für neue Anwendungen in der Gewebekultur hin. Es soll zukünftig in der Grundlagenforschung und der personalisieren Medizin eingesetzt werden, etwa um im Labor patienten- bzw. krankheitsspezifisch biologische Prozesse realistisch nachbilden und untersuchen zu können.