De kleine structuren die de natuurlijke omgeving van een cel nabootsen

Wanneer biologen cellen onder een microscoop bestuderen, bekijken ze ze op platte oppervlakken die in niets lijken op de omgeving in het menselijk lichaam. Nu hebben onderzoekers van NTNU een manier gevonden om sommige aspecten van de natuurlijke omgeving van een cel na te bootsen met behulp van kleine polymeerpilaren. Hun werk, gefinancierd door de Onderzoeksraad van Noorwegen, is gepubliceerd in het tijdschrift Onderzoeksbrieven op nanoschaal.

“Cellen in het menselijk lichaam zijn ingebed in een complexe matrix van moleculen”, zegt Pawel Sikorski, een professor in de afdeling Natuurkunde van NTNU. Deze omgeving – bekend als de extracellulaire matrix – is een dynamisch ondersteuningsnetwerk voor cellen, dat niet alleen fysieke ondersteuning biedt voor weefsels en organen om te groeien, maar ook signalen overbrengt om cellen te helpen met elkaar te communiceren. Door cellen uit de extracellulaire matrix te halen en ze op vlakke oppervlakken van glas te plaatsen, kunnen onderzoekers ze in het laboratorium bestuderen, maar het betekent wel dat we veel cellulaire processen mislopen.

“Glas is erg hard en de cel zal voelen dat het substraat niet vervormt als het eraan probeert te trekken”, zegt Sikorski. “Dat induceert bepaalde soorten gedrag en induceert ook bepaalde soorten processen in de cellen. Ze zullen zich anders gedragen als ze op iets worden geplaatst dat elastisch en zacht is en kan worden vervormd en opnieuw gemodelleerd.”

Dit betekent dat als onderzoekers willen begrijpen hoe cellen zich gedragen in hun natuurlijke omgeving, ze een substraat nodig hebben dat de biologie beter nabootst. Het inbedden van cellen in hydrogels, bijvoorbeeld 3D-netwerken van gelatine-achtige polymeren, is een optie. Maar het bestuderen van cellen in een hydrogel is niet zo eenvoudig als ernaar kijken op een eenvoudig glasplaatje onder een optische microscoop. “Als je wilt zien wat er gebeurt, wordt het een hele uitdaging”, zegt Sikorski.

Structuren creëren in een dunne polymeerfilm

Het nabootsen van enkele mechanische aspecten van zachtere substraten met nanostructuren is een mogelijke manier om dit probleem aan te pakken – en dat is precies wat Sikorski en Ph.D. student Jakob Vinje hebben gedaan, in samenwerking met celbiologen Noemi Antonella Guadagno en Cinzia Progida van de Universiteit van Oslo. Vinje bedekte glasplaatjes in kleine pilaren gemaakt van een polymeer dat bekend staat als SU-8. Deze nanopilaren – elk met een diameter van slechts 100 nanometer aan de punt – zijn gemaakt met behulp van elektronenstraallithografie bij NTNU NanoLab, waar een gefocusseerde elektronenstraal structuren creëert in een dunne polymeerfilm.

“Per vierkante millimeter heb je al aardig wat pilaren, en als je cellen wilt bestuderen, dan moeten we oppervlakten maken die minimaal in de orde van grootte van 10 bij 10 millimeter zijn”, zegt Sikorski. “De tools in NTNU NanoLab zijn essentieel om dit mogelijk te maken.”

De onderzoekers creëerden substraten met verschillende nanopijlers en testten ze met cellen die fluorescerende eiwitten produceren. Kijkend naar de cellen onder een microscoop, analyseerden de onderzoekers de vorm, grootte en verdeling van de punten waarop de cel zich hecht aan de verschillende oppervlakken.

Strakke pilaren

Na honderden observaties van cellen op de verschillende oppervlakken te hebben gedaan, ontdekten de onderzoekers dat substraten met dicht opeengepakte nanopilaren het meest een zachter oppervlak nabootsten. “Als we een substraat maken met dichte pilaren, gedragen de cellen zich alsof ze op een veel zachter substraat staan”, zegt Sikorski.

Het mooie van de met nanopijlers bedekte substraten is hun eenvoud – in theorie zouden biologen hun gebruikelijke glasplaatjes eenvoudig kunnen ruilen voor de nieuwe. “Het heeft meer functies en meer afstembaarheid dan een glassubstraat, maar het is nog steeds relatief eenvoudig”, zegt Sikorski.

Hij zegt dat het uiteindelijke doel zou zijn dat onderzoekers “gewoon de verpakking kunnen openen en er een uit kunnen halen, hun cellen erop kunnen zetten, het onder de microscoop kunnen bestuderen en het dan kunnen weggooien als ze klaar zijn.” Om dat te realiseren, moeten de substraten echter met honderden tegen relatief lage kosten worden geproduceerd.

Tot nu toe hebben de onderzoekers slechts een klein aantal prototypes gemaakt, maar er zijn bestaande methoden – zoals een goedkope, high-throughput-techniek voor het maken van patronen op nanoschaal, nanoimprint-lithografie genaamd – die opschaling van de productie van de substraten mogelijk zouden kunnen maken.

Behalve dat biologen cellen op een nieuwe manier kunnen bestuderen, zouden de substraten kunnen worden gebruikt om betere manieren te ontwikkelen om medicijnen te screenen. Om bijvoorbeeld een medicijn te vinden dat ervoor zorgt dat cellen niet aan een bepaald oppervlak blijven plakken, kan een met nanopijlers bedekt substraat dat oppervlak nabootsen en potentiële medicijnen op de proef stellen.