De små strukturer, der efterligner cellens naturlige miljø

Når biologer studerer celler under et mikroskop, ser de på dem på flade overflader, der ikke ligner miljøet inde i den menneskelige krop. Nu har forskere ved NTNU fundet en måde at efterligne nogle aspekter af en celles oprindelige miljø ved hjælp af bittesmå polymersøjler. Deres arbejde, finansieret af Norges forskningsråd, er publiceret i tidsskriftet Nanoscale Research Letters .

"Celler i den menneskelige krop er indlejret i en kompleks matrix af molekyler," siger Pawel Sikorski, professor ved Institut for Fysik ved NTNU. Dette miljø - kendt som den ekstracellulære matrix - er et dynamisk støttenetværk for celler, der ikke kun giver fysiske stilladser for væv og organer til at vokse, men også formidler signaler for at hjælpe celler med at kommunikere med hinanden. Mens man tager celler ud af den ekstracellulære matrix og sætter dem på flade overflader lavet af glas, gør det muligt for forskere at studere dem i laboratoriet, men det betyder, at vi kan gå glip af at observere mange cellulære processer.

"Glas er meget hårdt, og cellen vil mærke, at underlaget ikke deformeres, når det forsøger at trække i det," siger Sikorski. "Det inducerer visse typer adfærd og inducerer også visse typer processer i cellerne. De vil opføre sig anderledes, hvis de blev placeret på noget, der er elastisk og blødt og kan deformeres og omdannes."

Det betyder, at hvis forskere ønsker at forstå, hvordan celler opfører sig i deres oprindelige miljø, har de brug for et substrat, som replikerer biologien tættere. Indlejring af celler i hydrogeler - for eksempel 3D-netværk af gelatinelignende polymerer - er en mulighed. Men at studere celler i en hydrogel er ikke så let som at se på dem på et simpelt objektglas under et optisk mikroskop. "Hvis du vil se, hvad der sker, bliver det ret udfordrende," siger Sikorski.

Skabelse af strukturer i en tynd polymerfilm

At efterligne nogle af de mekaniske aspekter af blødere substrater med nanostrukturer er en mulig måde at løse dette problem på - og det er præcis, hvad Sikorski og Ph.D. studerende Jakob Vinje har gjort, i samarbejde med cellebiologerne Noemi Antonella Guadagno og Cinzia Progida ved Universitetet i Oslo. Vinje beklædte glasglas i små søjler lavet af en polymer kendt som SU-8. Disse nanopiller - hver måler kun 100 nanometer på tværs ved spidsen - blev lavet ved hjælp af elektronstrålelitografi på NTNU NanoLab, hvor en fokuseret elektronstråle skaber strukturer i en tynd polymerfilm.

"Pr. millimeter kvadrat har du allerede ret mange søjler, og hvis du vil studere celler, så skal vi lave overflader, der er mindst i størrelsesordenen 10 gange 10 millimeter," siger Sikorski. "Værktøjerne i NTNU NanoLab er afgørende for, at dette er muligt."

Forskerne skabte substrater med en række forskellige nanopillar-arrangementer og testede dem ved hjælp af celler, der producerer fluorescerende proteiner. Ved at kigge på cellerne under et mikroskop analyserede forskerne formen, størrelsen og fordelingen af ​​de punkter, hvor cellen hæfter sig på de forskellige overflader.

Tætpakkede søjler

Efter at have lavet hundredvis af observationer af celler på de forskellige overflader fandt forskerne ud af, at substrater med tætpakkede nanopiller nærmest efterlignede en blødere overflade. "Hvis vi laver et substrat med tætte søjler, opfører cellerne sig, som om de var på et meget blødere substrat," siger Sikorski.

Skønheden ved de nanopillar-dækkede substrater er deres enkelhed - i teorien kunne biologer simpelthen bytte deres sædvanlige glasglas med de nye. "Den har flere funktioner og mere justering end et glassubstrat, men det er stadig relativt enkelt," siger Sikorski.

Han siger, at det ultimative mål ville være, at forskere kunne "bare åbne pakken og tage en af ​​dem ud, sætte deres celler på, studere den under mikroskopet og derefter smide den væk, når de er færdige." Men for at det kan blive en realitet, skal substraterne produceres i hundredvis til en relativt lav pris.

Indtil videre har forskerne kun lavet et lille antal prototyper, men der er eksisterende metoder - såsom en billig, høj-gennemstrømningsteknik til at lave nanoskalamønstre kaldet nanoimprint-litografi - der kunne gøre det muligt at opskalere produktionen af ​​substraterne.

Ud over at give biologer mulighed for at studere celler på en ny måde, kunne substraterne bruges til at udvikle bedre måder at screene medicin på. For at finde et lægemiddel, der forhindrer celler i at klæbe til en bestemt overflade, for eksempel, kunne et nanopillar-dækket substrat efterligne denne overflade og sætte potentielle lægemidler på prøve. + Udforsk yderligere

Få det mest terapeutiske potentiale ud af celler