Designer-Petrischalen

Forscher-Trio erhält Erwin-Schrödinger-Preis

Für ihre interdisziplinäre Forschung an dreidimensionaler Zellkultivierung erhalten drei Wissenschaftler des KIT den mit 50.000 Euro dotierten Preis.

Dreidimensionale Mikrogerüste

Dreidimensionale Mikrogerüste für die Kultivierung einzelner Zellen (Aktinfärbung in grün), die durch photochemische Prozesse mit zwei unterschiedlichen Proteinen (rot, magenta) gezielt funktionalisiert wurden | Benjamin Richter/KIT

Der dreidimensionale Druck ist ein weltweiter Trend, der in immer mehr Anwendungsgebieten zum Einsatz kommt, etwa der Spielzeug- oder Automobilindustrie. Im Mikro- und Nanobereich könnte er vor allem bei der künstlichen Herstellung von biologischem Gewebe („Tissue Engineering“) neue Erkenntnisse bringen, etwa bei der Fertigung von 3-D-Designer-Petrischalen. Drei Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine Methode entwickelt, um flexible und dreidimensionale Mikrogerüste aufzubauen, in denen sie Zellkulturen in einem maßgeschneidertem Milieu züchten und erforschen können. Dafür erhalten sie den Erwin-Schrödinger-Preis der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.

Erfolg der Interdisziplinarität

„Die Stärke der Forschung des KIT zeigt sich nicht nur in den Kompetenzen und der Leistungsfähigkeit der einzelnen Wissenschaftlerin und des einzelnen Wissenschaftlers, sondern auch in ihrer Motivation, gemeinsam und über Fachgrenzen hinweg herausfordernde Forschungsaufgaben zu bewältigen“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. „Der Erwin-Schrödinger-Preis für die Professoren Bastmeyer, Wegener und Barner-Kowollik bestätigt den Erfolg der interdisziplinären Zusammenarbeit, um gemeinsam höchst innovative Ideen zu entwickeln und neue Forschungsfelder zu erschließen.“

„Jedes Lebewesen besteht aus Zellen, deren Verhalten und Entwicklung auch von den mechanischen und chemischen Eigenschaften ihrer dreidimensionalen Umgebung abhängt“, sagt Professor Martin Bastmeyer vom Zoologischen Institut und vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT. „Um Zellen adäquat zu erforschen, ist es daher wichtig, die Prozesse, die in dieser Umgebung ablaufen, möglichst real abzubilden.“ Aktuelle experimentelle Modelle seien jedoch häufig nur für die Zellkultivierung in zweidimensionalen Petrischalen ausgerichtet und könnten die Zellumgebung nicht hinreichend abbilden. Vor allem in Bezug auf Aufbau, Entwicklung und Interaktion zwischen Zellen untereinander sowie deren Umgebung unterschieden sich diese Modelle oft erheblich von dreidimensionalen. „Der Mangel an adäquaten Modellen schränkt die derzeitigen Möglichkeiten in Bezug auf das Tissue Engineering stark ein“, so Bastmeyer.

CELLSTAR-Zellkulturgefäße

Greiner Bio-One stellte auf der Analytica 2016, die vom 10. bis 13. Mai in München stattfand, sein erweitertes Portfolio in der Produktgruppe der CELLSTAR-Zellkulturgefäße mit zell‧abweisender Oberfläche vor.

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Strukturen kleiner als ein Haar dick ist

Um dreidimensionale Mikrogerüste für die Zellkultivierung zu erstellen, wandte sich der Biologe an seinen Kollegen Martin Wegener, Professor am Institut für Angewandte Physik und Abteilungsleiter am Institut für Nanotechnologie. Dieser befasst sich mit der laserbasierten Lithographie: „Bei dieser Technik schreiben wir sozusagen die Gerüste mit einem Laser in einen speziellen Fotolack, der nur an den Stellen im Raum aushärtet, die mit dem Laserfokus belichtet wurden“, erklärt der Physiker. Nachdem das Schreiben abgeschlossen ist, entwickeln die Forscher die Strukturen, indem sie die unterbelichteten Bereiche auswaschen. Die gehärteten Teile bleiben und bilden das Gerüst. „Die Strukturen, die wir so erstellen, sind insgesamt kleiner als ein Haar dick ist, also etwa 50 Mikrometer“, sagt Wegener.

Damit aus diesen Mikrogerüsten Petrischalen für die Zellkultivierung werden, müssen sie mit einer biochemisch aktiven Oberfläche ausgestattet werden. Professor Christopher Barner-Kowollik vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie hat in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Wegener und Bastmeyer Fotolacke entwickelt, welche zu funktionalen Gerüststrukturen führen. „Diese Lacke sind bioorthogonal, das heißt, sie erlauben die Zellanhaftung, ohne die eigenen biologischen Prozesse der Zelle zu beeinflussen“, erklärt Barner-Kowollik. Auf den Gerüstoberflächen können an spezifischen Punkten durch gezielte photochemische Prozesse Biomarker angebracht werden, auf welche die Zellen reagieren. So können die Forscher verschiedene Signalmoleküle flexibel am Gerüst anbringen, um das Verhalten der dort angezüchteten Zellen präzise und ortsaufgelöst zu untersuchen.