Hobbels en groeven op nanoschaal veroorzaken grote veranderingen in het celgedrag

De oppervlakken waarmee cellen in contact komen, kunnen van invloed zijn op de manier waarop de cellen groeien, functioneren en communiceren, waardoor de stofwisseling en zelfs de cellulaire gezondheid worden bepaald. Nu hebben technische onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego een platform ontwikkeld voor het bestuderen van de manieren waarop groeioppervlakken op nanoschaal het cellulaire gedrag kunnen beïnvloeden.

Het team, geleid door bio-ingenieurs en nano-ingenieurs van de UC San Diego Jacobs School of Engineering, beschrijft dit platform in actie in een recent artikel gepubliceerd in het journaal Chemische en biomedische beeldvorming.

“De oppervlakken die we hebben ontwikkeld zijn veel representatiever voor daadwerkelijke weefselstructuren. Dit is heel anders dan conventionele laboratoriumstudies die vaak afhankelijk zijn van platte, karakterloze oppervlakken voor celgroei. Deze structuren op nanoschaal in onze experimenten kunnen de architecturen en krachten die cellen ervaren beter repliceren. het lichaam”, legt UC San Diego nano- en chemische technologie Ph.D. uit. student Einollah (Ali) Sarikhani, de co-eerste auteur van het nieuwe artikel.

Sarikhani is lid van het laboratorium van professor Zeinab Jahed in de Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. Sarihani is ook een Siebel Scholar aan UC San Diego.

Hoewel eerdere studies hebben aangetoond hoe oppervlaktestructuren de vorm van cellen kunnen veranderen, is er weinig bekend over hun specifieke effecten op het celmetabolisme. Het technische onderzoeksteam van UC San Diego kon deze effecten bestuderen dankzij een innovatieve samenwerking tussen twee verschillende laboratoria met zeer verschillende, maar complementaire, expertise.

Eerst kweekte het team cellen op speciaal ontworpen nanopijlersubstraten en vervolgens observeerden ze veranderingen in het celmetabolisme met behulp van een geavanceerde beeldvormingsbenadering die een niet-invasieve studie met hoge resolutie van het metabolisme in individuele cellen mogelijk maakt.

Dit beeldvormingsplatform voor niet-invasieve studie van het celmetabolisme integreert gestimuleerde Raman-verstrooiing (SRS), tweede harmonische generatie en twee fotonfluorescentie (TPF) microscopie.

“SRS-beeldvormingstechnologie geeft ons een ongekend inzicht in hoe de metabolische activiteit van cellen reageert op bewerkte nanopijleroppervlakken”, legt UC San Diego bioengineering Ph.D. uit. student Zhi Li, co-eerste auteur van het nieuwe artikel uit het laboratorium van professor Lingyan Shi van de Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering aan de Jacobs School of Engineering.

Het onderzoeksteam ontdekte dat cellen die op kunstmatige nanopijleroppervlakken zijn gekweekt, dramatisch verschillende metabolische profielen vertonen, en verminderde oxidatieve stress vertonen. Oxidatieve stress kan cellulaire componenten beschadigen en bijdragen aan veroudering en ziekte.

Bovendien ontdekten de onderzoekers dat het kweken van cellen op verschillende nanopijleroppervlakken de manier zou kunnen veranderen waarop cellen lipiden produceren en modificeren, de belangrijkste componenten van celmembranen. Lipiden spelen ook een cruciale rol bij celsignalering. Deze metabolische veranderingen in lipiden kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor aandoeningen als kanker, waarbij een abnormaal metabolisme een kenmerkend kenmerk is, of ontstekingsziekten waarbij oxidatieve stress een sleutelrol speelt.

“We kunnen meerdere aspecten van het cellulaire metabolisme tegelijkertijd op subcellulair niveau waarnemen, van cellulaire oxidatieve stress tot de creatie van nieuwe eiwitten en lipiden”, zegt Shi. “Het vermogen om het cellulaire metabolisme te bestuderen door cellen op dit soort structuren op nanoschaal te laten groeien, opent opwindende nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van weefsels, het bestuderen van veroudering en ziekten, en het bedenken van nieuwe therapieën.”

Uit het onderzoek bleek ook dat de specifieke geometrie van op nanoschaal vervaardigde oppervlakken een cruciale rol speelt bij het bepalen hoe cellen reageren. Met behulp van pixelgewijze multivariate analyse ontdekten de onderzoekers bijvoorbeeld dat dicht bij elkaar gelegen kenmerken een sterkere impact hadden op het cellulaire metabolisme vergeleken met grotere, verder uit elkaar geplaatste kenmerken. “We zouden deze informatie kunnen gebruiken om oppervlakken te creëren die de groei van specifieke celtypen voor weefselmanipulatie stimuleren”, legt Jahed uit.

De technologieën, technieken en bevindingen die in het artikel worden beschreven, bieden onderzoekers een nieuw speelboek en nieuwe inzichten om te bestuderen hoe de micro-omgeving rond cellen hun metabolische functie kan vormgeven.

Dit werk heeft brede toepassingen, zeggen de onderzoekers. De inzichten uit het onderzoek kunnen de toedieningssystemen voor geneesmiddelen verbeteren, de vorming van nieuwe weefsels begeleiden en een beter begrip verschaffen van ziekten waarbij metabolische disfunctie betrokken is, zoals kanker en diabetes.

Met betrekking tot de beeldvormingstechnieken die in dit artikel worden beschreven, waren de onderzoekers in staat om de metabolische toestanden in levende cellen te onthullen door middel van TPF-autofluorescentiebeeldvorming van metabolische co-enzymen, nicotinamide-adenine-dinucleotide (NADH) en flavine-adenine-dinucleotide (FAD). Daarnaast gebruikte het onderzoeksteam een ​​combinatie van SRS-beeldvorming en zwaarwateronderzoek om de synthese van lipiden en eiwitten in cellen te volgen en kwantitatief te meten.