Neuartige Methode auf der Grundlage intelligenter Materialien zeigt Zellschäden in Echtzeit an
Biologische Zellen sind ständig mechanischen Belastungen durch die sie umgebenden Substrate ausgesetzt, was sich auf ihr Verhalten auswirkt. Forschende haben im Rahmen des EU-finanzierten Projekts 4D-BIOMAP eine neue Methode erarbeitet, die auf magnetoaktiven Polymeren basiert, um das Verhalten von Zellen zu untersuchen. Ihre Ergebnisse wurde in der Fachzeitschrift „Applied Materials Today“ veröffentlicht. Die neue experimentell-computergestützte Methode gestattet es den Forschenden, komplexe Verformungsmodi in zellulären Substraten nicht-invasiv und in Echtzeit zu kontrollieren. Dank dieses Systems können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die mechanischen Auswirkungen auf die Zellen und die Auswirkungen auf verschiedene biologische Reaktionen sofort bewerten. Laut der Studie wird die nicht-invasive Stimulation durch die Fähigkeit weicher, magnetoaktiver, gummiartiger Materialien, sogenannter magnetorheologischer Elastomere, ermöglicht, mechanisch auf externe Magnetfelder zu reagieren. Die magnetorheologischen Elastomere bestehen aus einer weichen Polymermatrix (Polydimethylsiloxan), die mikrometergroße magnetische Partikel (Carbonyleisenpulver) enthält. Wenn sie einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt werden, magnetisieren sich die Teilchen und reagieren mit einer Änderung ihrer Form und/oder Steifigkeit.
Analyse von Zellschäden in Echtzeit möglich
Das vorgeschlagene System gestattet es der Wissenschaft, Einblicke in die mechanobiologischen Prozesse zu gewinnen, die bei komplexen und dynamischen Verformungszuständen wie traumatischen Hirnverletzungen, pathologischer Hautvernarbung und fibrotischer Herzremodellierung während eines Myokardinfarkts auftreten. „Es ist uns gelungen, die lokalen Verformungen zu reproduzieren, die im Gehirn auftreten, wenn es einem Aufprall ausgesetzt ist. Damit wäre es möglich, diese Fälle im Labor nachzubilden und in Echtzeit zu analysieren, was mit den Zellen passiert und wie sie geschädigt werden“, erklärt Dr. Daniel García-González von der Universidad Carlos III de Madrid (Spanien), dem Projektträger von 4D-BIOMAP, in einer auf „EurekAlert!“ veröffentlichten Pressemitteilung. „Außerdem haben wir das System validiert, indem wir gezeigt haben, dass es in der Lage ist, Kräfte auf die Zellen zu übertragen und auf sie einzuwirken.“ Die Forschenden gestalteten ein Mehrkomponenten-Stimulator-Bildgebungssystem, das die multifunktionalen Eigenschaften von magnetorheologischen Elastomeren nutzt, um die mechanische Verformung von Zellsubstraten nicht-invasiv zu steuern. Sie stellten zunächst verschiedene magnetorheologische Elastomere mit unterschiedlichen Steifigkeitsgraden und magnetisch-mechanischer Kopplungsintensität her. Nach der Analyse der Mechanismen, die das Verhalten der Materialien bestimmen, konzipierte das Team einen Multi-Physik- und Multiskalen-in-silico-Rahmen, um den Aufbau der experimentellen Stimulation zu steuern. Die Vielseitigkeit und Lebensfähigkeit des Systems wurde dann durch seine Fähigkeit demonstriert, komplexe mechanische Szenarien zu reproduzieren, die lokale Belastungsmuster im Hirngewebe während eines Kopfaufpralls simulieren, und seine Fähigkeit, mechanische Kräfte auf zelluläre Systeme (menschliche dermale Fibroblasten) zu übertragen. Die Autorinnen und Autoren berichten in ihrer Studie: „Im Gegensatz zu früheren Ansätzen ... bewerkstelligen wir gleichzeitig: nicht-invasive (durch Magnetfelder) mechanische Stimulation, Echtzeit-Kontrolle der mechanischen Stimulation und wechselnde (komplexe) Verformungsmodi, die lokale Veränderungen sowohl der Größen- als auch der Hauptdehnungskomponenten steuern.“ Dr. González bemerkt in der Pressemitteilung: „Unterstützt durch das Berechnungsmodell haben wir all diese wissenschaftlichen Grundlagen genutzt, um ein intelligentes Betätigungssystem zu entwickeln, das es uns in Verbindung mit einem im Europäischen Forschungsrat entwickelten Mikroskop gestattet, die zelluläre Reaktion in situ zu visualisieren. Auf diese Weise haben wir einen umfassenden Rahmen geschaffen, um zelluläre Systeme mit magnetoaktiven intelligenten Materialien zu stimulieren.“ Das auf fünf Jahre angelegte Projekt 4D-BIOMAP (Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymers) nutzt leistungsstarke Druckverfahren, um magnetoaktive Polymere zu erzeugen und sie für kritische Anwendungen im Zusammenhang mit der Funktion des Nervensystems zu charakterisieren. Es endet im Dezember 2025. Weitere Informationen: 4D-BIOMAP-Projekt
Schlüsselbegriffe
4D-BIOMAP, Zelle, zelluläres Substrat, magnetoaktives Polymer, mechanische Stimulation, magnetorheologisches Elastomer, Gehirn, intelligente Materialien