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Gewebe, die sich selbst aufbauen
Zellen, die mit klebrigen DNA-Stückchen beschichtet sind, können sich selbst zu funktionellen dreidimensionalen Mikrostrukturen zusammenbauen. Dieser Bottom-up-Ansatz des Tissue Engineering, der von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley, entwickelt wurde, bietet eine neue Lösung für eines der größten Probleme auf diesem Gebiet: die Schaffung mehrzelligen Gewebes mit definierten Strukturen. Im Gegensatz zu Top-Down-Methoden, bei denen Wissenschaftler Zellstrukturen auf Gerüsten aufbauen, ermöglicht die neue Technik den Gewebeingenieuren, die genauen geometrischen Wechselwirkungen einzelner Zellen zu bestimmen.
Doppelter Ärger: Zwei Cluster haben sich zu einem größeren, strukturell komplexeren Mikrogewebe zusammengefügt. Durch das Optimieren von Variablen und das Hinzufügen von Zellen in aufeinanderfolgenden Iterationen hoffen die Forscher, immer ausgefeiltere Baugruppen zu erzeugen.
Die Forscher begannen mit zwei Zelltypen – einer, der ein Protein absondert, einen sogenannten Wachstumsfaktor, den der andere zum Wachsen benötigt. Mitverfasser Zev Gartner , heute pharmazeutischer Chemiker an der University of California, San Francisco, dekorierte die Zellen mit einzelsträngigen DNA-Schnipseln, die mit speziellen Zuckern, die in die Zellmembran eingebaut wurden, befestigt wurden. Die beiden Zelltypen trugen komplementäre DNA-Stränge, die als eine Art Klettverschluss fungierten. Wenn die verschiedenen Zellen kombiniert wurden, verbanden sich ihre komplementären DNA-Fragmente zu Doppelsträngen und verbanden die Zellen miteinander. Verbunden mit ihren proteinproduzierenden Partnern gedeihen die proteinabhängigen Zellen. Ohne die DNA-Beschichtung können die beiden Zelltypen nicht kommunizieren und die abhängigen Zellen sterben ab.
Durch Variation der relativen Konzentrationen der beiden Zelltypen konnten die Forscher die Zellen in bestimmte Konfigurationen manövrieren. Wenn die Zellen beispielsweise im Verhältnis eins zu eins kombiniert wurden, bildeten sie einfach Paare. Aber als die Wachstumsfaktor-abhängigen Zellen ihren Gegenstücken zahlenmäßig weit überlegen waren, bildeten sie charakteristische dreidimensionale Cluster mit einer einzigen Wachstumsfaktor-sekretierenden Zelle in der Mitte. Die Ergebnisse erschienen am Montag in der frühen Online-Ausgabe von Proceedings of the National Academy of Sciences .
Dieser Ansatz bietet einen neuen Weg zur Wiederherstellung der Gewebekomplexität, sagt Ali Khademhosseini , ein Assistenzprofessor an der Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology und der Harvard Medical School, der nicht an der Studie beteiligt war. Die meisten Tissue-Engineering-Verfahren erzeugen mit Hilfe von Gerüstmaterialien dreidimensionale Strukturen.
Nachdem sich die Mikrostrukturen gebildet hatten, stellten Gartner und sein Kollege Carolyn Bertozzi , Direktor der nanowissenschaftlichen Forschungseinrichtung Molecular Foundry im Berkeley Lab, schloss sie in einem Gel ein und bildete sie mit einem Fluoreszenzmikroskop in drei Dimensionen ab. Da die DNA der Zelloberfläche auf Dauer nicht stabil ist, ist noch nicht klar, wie lange die Strukturen alleine halten. Die Forscher untersuchen derzeit, ob die verknüpften Zellen beginnen, ihre eigenen natürlichen Adhäsionsmoleküle zu bilden, um sie an der Bindung zu halten, wenn die DNA-Verknüpfungen weg sind.
Bisher sind diese Mikrostrukturen rudimentär – weit entfernt von der strukturellen Raffinesse eines ganzen Organs. Durch die Optimierung des Verhältnisses der Zelltypen, der DNA-Dichte auf der Zelloberfläche und der Komplexität der DNA-Sequenzen hoffen Gartner und Bertozzi jedoch, größere und kompliziertere Anordnungen zu bauen. Indem wir mit diesen Variablen herumspielen, können wir die Art der Struktur, die wir erstellen, beeinflussen, sagt Gartner.
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Zellulärer Klettverschluss: Bei einem neuen Ansatz des Bottom-up-Tissue Engineering fügen sich zwei verschiedene Zelltypen spontan zu dreidimensionalen Mikrostrukturen wie dieser zusammen, wenn ihre Oberflächen mit klebrigen DNA-Einzelsträngen besetzt werden. Da die DNA auf den roten Zellen komplementär zu der auf den grünen Zellen ist, kleben sie auf natürliche Weise zusammen und halten die Zellen in unmittelbarer Nähe.
Bildnachweis: Bertozzi Lab
Obwohl diese neue Methode nicht die erste ist, die das Tissue Engineering von Grund auf angeht, ist sie laut Gartner die einzige, die eine ausreichend feine Auflösung bietet, um zu definieren, wie einzelne Zellen mit ihren Nachbarn interagieren. Und selbst wenn sich herausstellt, dass diese Technik nicht gut skalierbar ist, könnte sie im Prinzip strukturelle Bausteine für andere aufkommende Bottom-up-Ansätze wie den schichtweisen Gewebedruck oder die Lasermanipulation liefern.
Khademhosseini sagt, es sei noch zu früh, um zu sagen, ob die neue Technik schließlich Gewebe produzieren wird, das für den Einsatz in der regenerativen Medizin geeignet ist. Es hat viel Potenzial und könnte in Zukunft Therapien bieten, aber es müssen andere Herausforderungen bewältigt werden, um ein klinisch tragfähiges Produkt herzustellen, sagt er. Es bleibt beispielsweise abzuwarten, woher die Zellen für das Wachstum des Gewebes kommen und wie der Körper neue Blutgefäße erzeugt, um das transplantierte Gewebe zu ernähren.
Dan Dimitrijevich , Direktor der Human Tissue and Cell Engineering Laboratories am Health Science Center der University of North Texas, ist skeptischer. Er bezweifelt, dass der neue Ansatz in der Lage sein wird, stabile, sichere und funktionelle Gewebe zu erzeugen, die bei einer Transplantation in einen echten lebenden Organismus standhalten. Es ist eine interessante Wissenschaft, sagt er, aber was das Tissue Engineering angeht, ist es wirklich weitreichend.
Auch wenn es in der regenerativen Medizin nicht funktioniert, glaubt Gartner, dass sich die Technik als Werkzeug zur Untersuchung der Kommunikation verschiedener Zelltypen, beispielsweise bei der Entstehung eines Tumors, als nützlich erweisen könnte. Dies gibt uns jetzt ein neues Werkzeug, um diese Strukturen aus einem menschlichen Wirt herauszunehmen – wo sie offensichtlich aus einer Reihe von technischen und ethischen Gründen sehr schwer zu untersuchen sind – und sie in eine Flasche zu geben, in der wir sie über lange Zeit im Detail untersuchen können Zeiträume, sagt er.