Mit biohybridem Verbundmaterial zum 3D-Zellkulturmodell

In der Medizin sind Materialien mit hoher Biokompatibilität wahre Superhelden: Sie interagieren mit biologischen Systemen, einschließlich dem menschlichen Körper, ohne schädliche Reaktionen auszulösen. Die 3D-Zellkultivierung nutzt diese Superkraft, um biologische Abläufe in nicht-biologischen Umgebungen, wie z.B. künstlichen Organen, nachzuahmen. Werden zur Materialherstellung Mischungen aus synthetischen (nicht-biologischen) und biokompatiblen (biologischen) Materialien verwendet, entstehen sogenannte biohybride dreidimensionale Verbundmaterialien mit besonderen Eigenschaften.

Stand der Technik

Die gängige zweidimensionale Zellkultivierung in einer Petrischale erlaubt aufgrund der flachen Oberfläche keine Nachbildung komplexer dreidimensionaler Gewebestrukturen und Organmodelle. Durch das Beschichten der Schale mit einem dreidimensionalen Verbundmaterial wird eine räumliche Anordnung der Zellen jedoch möglich. Die physikochemischen Eigenschaften solcher Verbundmaterialien spielen eine wichtige Rolle für das optimale Wachstum von Zellen, jedoch können diese Eigenschaften bisher nicht exakt genug eingestellt und das Material nicht reproduzierbar hergestellt werden.

Technologie

Mit einem neuen Herstellungsverfahren vom Institut für Biologische Grenzflächen 1 (IBG-1) des KIT können Verbundmaterialien mit präzise definierten physikochemischen Eigenschaften reproduzierbar hergestellt werden. Das Verfahren erzeugt ein dreidimensionales biohybrides Verbundmaterial mit variabel einstellbarer mechanischer Steifheit. Dabei werden biokompatible DNA-Moleküle mit synthetischen Silica-Nanopartikeln und Kohlenstoffnanoröhrchen zu dem Verbundmaterial polymerisiert. Das Verhältnis dieser Komponenten bestimmt die mechanische Steifheit des Verbundmaterials, was die Interaktion des Materials mit den Zellen maßgeblich beeinflusst. Untersuchungen mit dem so hergestellten Verbundmaterial haben gezeigt, dass Organoide, also „organartige“ Zellstrukturen, sehr gute Wachstumseigenschaften aufweisen – ähnlich wie in natürlichen Umgebungen.

Vorteile

Die DNA-Moleküle im Verbund können durch Zugabe von Enzymen einfach abgebaut werden. So kann z.B. ein fertiges Organoid ohne großen Aufwand aus dem Material entnommen und für weitere Forschungszwecke genutzt werden.

Optionen für Unternehmen

Die biohybriden Schichten können im Wirkstoffscreening ohne Tierversuche, aber auch für Hersteller von Kultivierungsgefäßen von großem Nutzen sein. Zur industriellen Umsetzung sucht das KIT Partner zur Lizenzierung und Nutzung.