Formgedächtnis-Polymer in der Stammzellenforschung

Programmierte Muskelfolie: Stammzellen in Knochenzellen umwandeln

Gezielt programmierte Materialien können Stammzellen unter bestimmten Bedingungen dazu anregen, sich in Knochenzellen umzuwandeln – das konnte ein deutsches Forschungsteam unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht, Zentrum für Material- und Küstenforschung, nun zeigen.

Die Erstautoren der Studie

Die Erstautoren der Studie von links nach rechts: Xun Xu, Zijun Deng and Weiwei Wang (alle HZG). | Foto: HZG/Fraeya Whiffin

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler setzen ein sogenanntes Formgedächtnis-Polymer in der Stammzellenforschung ein. Stammzellen können sich zu vielen verschiedenen Zelltypen entwickeln: Muskelzellen, Knorpel- oder Knochenzellen. Genau wie der Körper, zu dem sie gehören, spüren die Stammzellen, was um sie herum passiert und reagieren entsprechend. Seit Jahrzehnten versuchen die Forscher, diesen sogenannten Differenzierungsprozess zu verstehen und zu steuern, indem sie die Umgebung der Zellen verändern. Das gewonnene Wissen wird bereits im Bereich des Tissue Engineering genutzt, also zur Herstellung von Ersatzmaterialien, die geschädigtes biologisches Gewebe wiederherstellen oder erhalten können. Meist werden für die Forschung Experimente an statischen Aufbauten durchgeführt. Nun haben Forschende des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG), des Berlin-Brandenburgischen Zentrums für Regenerative Therapien, der Freien Universität Berlin und des Helmholtz Virtuellen Instituts - Multifunktionale Biomaterialien für die Medizin Versuche mit einer dynamischen Konstruktion durchgeführt.

Entwicklung einer neuen Methode

Die Wissenschaftler verwandten für ihren innovativen Ansatz eine Polymerfolie im Sinne eines künstlichen Muskels: Die Folie besitzt die ungewöhnliche Eigenschaft, bei einer vorgegebenen Temperaturänderung die Form reversibel zu verändern. Die Forscher erzeugten eine solche Polymerfolie mit einem Gitter auf der Unterseite und programmierten sie so, dass sie bei einer Temperaturänderung auch ihre Form verändert: Bei Abkühlung von Körpertemperatur, also 37 Grad Celsius, auf 10 Grad Celsius dehnt sie sich. Bei erneuter Erwärmung zieht sich die Folie zusammen. Anschließend wurden die Muskelfolien mit Stammzellen besiedelt und die sich verändernde Form des Gitternetzes auf der Unterseite der Folie und der Zellen beobachtet.

Mit Stammzellen beschichtete Polymer-Folie
Die mit Stammzellen beschichtete Polymer-Folie mit Formgedächtnis schrumpfte in der Kälte (links) und dehnte sich bei Erwärmung (rechts). Quelle: Xu et al.

Stammzellen zur Differenzierung anregen

Mithilfe dieser programmierten Muskelfolie konnten die Wissenschaftler ein physikalisches Signal, die Temperaturänderung, nutzen, um ein weiteres mechanisches Signal gleichzeitig an die Stammzellen zu senden. Durch diese Synchronisation ist es gelungen, die Stammzellen anzuregen, sich zu Knochenzellen zu entwickeln. „Die Polymerfolie hat ein sogenanntes Formgedächtnis. In unseren Experimenten wirkt sie wie ein Übermittler, mit dem wir die Zellen effektiv anweisen können, das zu tun, was wir wollen. Wir haben herausgefunden, dass die Temperaturänderungen in Kombination mit der wiederholten Dehnungsbewegung der Folie ausreicht, um die Stammzellen zur Differenzierung in Knochenzellen anzuregen – im Gegensatz zu den Zellen, die auf einer unprogrammierten Folie wachsen“, erklärt Professor Andreas Lendlein, Co-Autor der Studie und Leiter der HZG-Instituts für  Biomaterialforschung in Teltow.

Polymer kann seine Form verändern
Das Polymer kann bei einer programmierten Temperatur seine Form verändern. Die gezüchteten Stammzellen, die darauf wachsen, könnten vielleicht eines Tages die Heilung von schwer gebrochenen Knochen unterstützen. Quelle: HZG/Xun Xu

Möglicher Einsatz bei komplizierten Knochendefekten

„Die programmierten Folien aus Polymer könnten später beispielsweise bei komplizierten Knochenbrüchen eingesetzt werden, bei denen sich der Knochen nicht von selbst wieder heilen kann. Stammzellen aus dem Knochenmark des Patienten könnten auf die präparierte Folie aufgetragen werden, die sich bei einer Operation adaptiv um den gebrochenen Knochen legt. Die zuvor ‚trainierten‘ Zellen können dann gezielt den Knochen stärken“, so Professor Lendlein. Angesichts der kürzlich in New Scientist berichteten erfolgreichen Operation bei 10 Grad Celsius, die an der University of Maryland School of Medicine durchgeführt wurde, könnten solche medizinischen Implantate ein weiteres Instrument im Werkzeugkasten der Chirurgen werden.

Literatur:

Zijun Deng , Weiwei Wang, Xun Xu, Oliver Gould, Karl Kratz, Nan Ma, and Andreas Lendlein: Polymeric sheet actuators with programmable bioinstructivity. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 2020, DOI: 10.1073/pnas.1910668117.


Quelle: idw/Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung