Tissue Engineering: Lichtsteuerung erlaubt gezielte Gewebemodellierung

Forscher der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der ETH Zürich haben zusammen mit Kollegen aus Edinburgh und Freiburg neue Technologien entwickelt, durch die sie mithilfe von Licht das Verhalten von Zellen hochpräzise steuern können.

Die neuen Verfahren können entscheidende Fortschritte in den Bereichen Tissue Engineering und Synthetische Biologie erzielen. Diese erläutern die Autoren in zwei Veröffentlichungen in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Die Arbeitsgruppen entwickelten synthetische Säugetiergewebe, die mithilfe optogenetischer Verfahren gesteuert werden können. Dies bedeutet, dass ins Genom der Zellen bestimmte Schalter eingebaut wurden. Diese können dann gezielt mit Licht aktiviert oder deaktiviert werden.

„Wir stellen künstliche zwei- und dreidimensionale Gewebe her, deren Zellsignale und -verhalten wir optisch steuern können. Dies sind wichtige Eigenschaften beispielsweise für Zellmodelle“, betont Prof. Matias Zurbriggen, Leiter des Instituts für Synthetische Biologie der HHU, der neben Jun.-Prof. Hannes Beyer die Arbeiten in Düsseldorf leitete.

Optogenetische Plattform „µPatternScope“

Die Studien wurden zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Mustafa Hani Khammash von der ETH Zürich sowie Partnern an den Universitäten in Edinburgh und Freiburg veröffentlicht. In der ersten Arbeit stellen die Autoren „µPatternScope“ vor. Dies ist eine hochentwickelte optogenetische Plattform, mit der die Forscher komplexe Zellmuster formen können, indem sie mit hoher Präzision Apoptose auslösen.

Es kommt eine cybergenerische Computersteuerung zum Einsatz. Sie erlaubt es, die Probe zu beobachten und gleichzeitig mittels Lichtsignale zu aktivieren. Daurch werden die gewünschten Effekte erzielt. Um ihre Technik zu demonstrieren, haben die Wissenschaftler auf zellulärer Basis ein an das Spiel „Tic Tac Toe“ angelehntes Raster erstellt und die Positionen in dem Raster durch Lichteinstrahlung interaktiv und dynamisch verändert.

Beyer: „Unser Ansatz kann potenziell die Anwendungen im Tissue Engineering revolutionieren, indem wir mit ihm präzise strukturierte Gewebeformen aufbauen können. Er ermöglicht uns, natürliche Prozesse wie die konkrete Entstehung von Geweben – die „Morphogenese“ – nachzuahmen.“

Lichtempfindliche Genschalter

Lichtempfindliche Genschalter, mit denen das Zellverhalten in dreidimensionalen Gewebekulturen gesteuert werden, stehen im Fokus der zweiten Publikation. Die Autoren können kontrolliert die Nekroptose auslösen. Außerdem demonstrieren die Autoren die Steuerung des Informationsaustausches zwischen Geweben, indem ein bestimmter, synthetisch eingebrachter Signalübertragungsweg (WNT3A) durch blaue und rote Lichtmuster ausgelöst wird.

Prof. Khammash aus Zürich: „Diese Entwicklungen sind besonders vielversprechend, um dreidimensionale Gewebsmodelle weiterzuentwickeln. Wir können so die Verhaltensweisen von Zellen in komplexen Strukturen räumlich und zeitlich anpassen und potenziell programmierbare Organ- und Gewebemodelle schaffen.“

„Beide Arbeiten bieten einen neuartigen experimentellen Rahmen, in dem die Kommunikation zwischen Zellen und die Bildung von Geweben in einer kontrollierten Umgebung untersucht werden kann. Sie zeigen damit auch neue Wege auf, wie die lichtbasierte genetische Kontrolle in der regenerativen Medizin und der Krankheitsmodellierung eingesetzt werden kann“, resümiert Zurbriggen.

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des EU-geförderten CyGenTiG Tissue-Engineering-Projekts und des Freigeist-Programms der Volkswagen Stiftung gefördert.