Zellen den Weg leuchten

Dass sich aus einer einzigen Zelle hochkomplexe Organismen entwickeln, ist eines der Wunder der Natur. In der Entwicklung spielen sogenannte Morphogene eine wichtige Rolle. Sie signalisieren den Zellen, wohin sie gehen und was sie tun sollen. Diese Signalmolek¨¹le steuern biologische Prozesse wie die Bildung von K?rperachsen oder die Verdrahtung des Gehirns. Um solche Prozesse genauer untersuchen zu k?nnen, m¨¹ssen Forschende die Signalmolek¨¹le im dreidimensionalen Raum um lebende Zellen herum positionieren k?nnen. Dies ist nun m?glich, dank einer neuen Methode, die Nicolas Broguiere und seine Kolleginnen und Kollegen in der Forschungsgruppe von Marcy Zenobi-Wong entwickelt haben. Ihre Ergebnisse werden heute in der externe Seite Fachzeitschrift ?Advanced Materials? ver?ffentlicht.

Zeichnen mit Licht

?Unser Ansatz erlaubt es, bioaktive Molek¨¹le mit hoher Pr?zision in einem Hydrogel zu verteilen?, sagt Zenobi-Wong, Professorin f¨¹r Gewebetechnologie und Biofabrikation am Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie der ETH Z¨¹rich. Wenn lebende Zellen in das Hydrogel eingekapselt werden, nehmen sie die biochemischen Signale wahr. Eines dieser Signale, n?mlich der Nervenwachstumsfaktor, bestimmt die Richtung, in welche Nervenfasern wachsen. Mit einer Methode, die als 2-Photon-Patterning bezeichnet wird, haben die Forschenden mit einem Laser dreidimensionale Muster dieses Molek¨¹ls in das Hydrogel gezeichnet.

?Genau an der Position, auf die das Licht gerichtet ist, wird eine chemische Reaktion ausgel?st, die den Nervenwachstumsfaktor im Hydrogel verankert?, erkl?rt Broguiere. ?Wir haben das Design des lichtempfindlichen Hydrogels sorgf?ltig optimiert, damit sich die Signalmolek¨¹le nur in den beleuchteten Bereichen ¨C und nirgendwo sonst ¨C anlagern.? Mit ihrem neuen Ansatz k?nnen die Forschenden dreidimensionale Morphogene mit Details von der Gr?sse eines tausendstel Millimeters, also einer einzelnen Nervenfaser, zeichnen und dann mit einem Mikroskop beobachten, wie die Neuronen dem vorgezeichneten Muster folgen. ?Mit dieser neuen Methode k?nnen wir nun Nervenzellen mit ihrer eigenen biochemischen Sprache effektiv dreidimensional lenken?, sagt Broguiere.

Wenn Nervenfasern reissen

Zellen vorzugeben, in welche Richtung sie wachsen sollen, ist ein langgehegter Traum von vielen Biologinnen und Biologen. Mit dem neuen Ansatz der ETH-Forschenden kommen sie der Erf¨¹llung dieses Traums einen grossen Schritt n?her. F¨¹r ihre Erfindung sehen Zenobi-Wong und Broguiere auch einen potenziellen Nutzen in der Medizin: Wenn Nerven durch einen Unfall gesch?digt werden, wachsen sie willk¨¹rlich zusammen, sodass ihre volle Funktion nicht wiederhergestellt wird. ?Ich m?chte nicht den Eindruck erwecken, dass wir schon bald bereit sind, Patientinnen und Patienten mit unserem Ansatz zu behandeln?, sagt Zenobi-Wong. ?Doch in Zukunft k?nnte eine Weiterentwicklung unseres Ansatzes vielleicht dabei helfen, den Nervenzellen direkt im K?rper den richtigen Weg zu weisen, sodass verletzte Nerven besser heilen.?