Nanorobots begeleiden stamcellen via nauwkeurige druk tot botcellen

Voor het eerst zijn onderzoekers van de Technische Universiteit München (TUM) erin geslaagd nanorobots te gebruiken om stamcellen met zo’n precisie te stimuleren dat ze op betrouwbare wijze worden omgezet in botcellen. Om dit te bereiken oefenen de robots externe druk uit op specifieke punten in de celwand. De nieuwe methode biedt mogelijkheden voor snellere behandelingen in de toekomst.

De nanorobots van prof. Berna Özkale Edelmann bestaan ​​uit kleine gouden staafjes en plastic kettingen. Enkele miljoenen daarvan zitten samen met enkele menselijke stamcellen in een gelkussen van slechts 60 micrometer. Aangedreven en bestuurd door laserlicht stimuleren de robots, die eruit zien als kleine balletjes, de cellen mechanisch door druk uit te oefenen.

“We verwarmen de gel lokaal en gebruiken ons systeem om nauwkeurig de krachten te bepalen waarmee de nanorobots op de cel drukken, waardoor deze wordt gestimuleerd”, legt de hoogleraar nano- en microrobotica aan TUM uit. Deze mechanische stimulatie brengt biochemische processen in de cel op gang. Ionenkanalen veranderen hun eigenschappen en eiwitten worden geactiveerd, waaronder een die vooral belangrijk is voor de botvorming.

Het onderzoek is gepubliceerd in Geavanceerde materialen En Kleine wetenschap.

Hart- en kraakbeencellen: het vinden van het juiste stresspatroon

Als de stimulatie in het juiste ritme en met de juiste (lage) kracht wordt uitgevoerd, kan een stamcel op betrouwbare wijze worden getriggerd om zich binnen drie dagen te ontwikkelen tot een botcel. Dit proces kan binnen drie weken worden afgerond.

“Het overeenkomstige stresspatroon is ook te vinden voor kraakbeen- en hartcellen”, zegt prof. Özkale Edelman. “Het is bijna net als in de sportschool: we trainen de cellen voor een bepaald toepassingsgebied. Nu moeten we er alleen nog achter komen welk stresspatroon bij elk celtype past”, zegt het hoofd van het Microbiotic Bioengineering Lab van TUM.

Mechanische krachten maken de weg vrij voor transformatie in botcellen

Het onderzoeksteam produceert botcellen met behulp van mesenchymale stamcellen. Deze cellen worden beschouwd als de ‘reparatiecellen’ van het lichaam. Ze zijn ongeveer 10 tot 20 micrometer groot en kunnen zich doorgaans ontwikkelen tot bijvoorbeeld bot-, kraakbeen- of spiercellen. De uitdaging: de transformatie naar gedifferentieerde cellen is complex en tot nu toe moeilijk te controleren.

“We hebben een technologie ontwikkeld waarmee krachten heel precies op de cel kunnen worden uitgeoefend in een driedimensionale omgeving”, zegt prof. Özkale Edelmann. “Dit vertegenwoordigt een ongekende vooruitgang in het veld.” De onderzoekers denken dat deze methode zelfs gebruikt kan worden om kraakbeen- en hartcellen uit menselijke stamcellen te produceren.

Voor behandelingen zullen artsen uiteindelijk veel meer gedifferentieerde cellen nodig hebben: ongeveer 1 miljoen. “Daarom is de volgende stap het automatiseren van ons productieproces, zodat we sneller meer cellen kunnen produceren”, zegt prof. Özkale Edelmann.