Cell-Stretch Device Entwicklung


Hintergrund und Forschungsschwerpunkt

Mechanosensitive Ionenkanäle stellen die Schnittstelle zwischen physikalischen Stimuli, wie Druck und Scherkräfte, und zellulären Antworten bis hin zu Empfindung wie Tastsinn dar. Fehlfunktionen mechanosensitiver Kanäle können mit schweren Fehlfunktionen von Geweben einhergehen und auch umgekehrt, können zu Organstörungen aber auch zu Veränderungen von Expression und Funktion solcher Kanäle führen. Im Herzen sind beispielsweise Verknüpfungen zwischen transient-receptor-potential Kanälen (TRP) und Herzschwäche hergestellt worden, bei denen eine erhöhte mechanische Belastung des Herzens mit einer höheren Expression solcher Kanäle beantwortet wird. Da manche dieser TRP Kanäle wichtige Kationen wie Ca2+-Ionen leiten können, liegen Zusammenhänge mit gestörter Ca2+-Regulation der Herzzellen nahe. Wir untersuchen zum einen, wie passive Dehnung individueller Herzzellen, welche auf Polymer-Membranen adhärent angewachsen werden, die Ca2+-Homöostase beeinflusst, wenn man normale Zellen mit Zellen insuffizienter Herzen aus Tiermodellen vergleicht (die ärztliche Expertise stammt hierbei aus Kooperationen z.B. mit der Herzchirurgie Erlangen). Hierbei liegt ein Hauptaugenmerk auf Ca2+-Einstrom durch mechano-sensitive Kanäle, dem Mechanismus dieses Einstroms und die Aufklärung der zugrunde liegenden Kanalklasse (z.B. unter Verwendung spezifischer Blocker). Zum anderen benutzen wir unsere Engineering-Expertise zur Weiterentwicklung bisher gängiger biomechanischer Geräte zur zyklisch und statisch definierten Dehnung einzelner Herzzellen. Konventionelle ‚Cells-Stretcher‘ sind mitunter als linear-stretch devices konzipiert (s. Abbildung), bei denen die Auslenkung einzelner Zellen nur in einer Achse erfolgen kann. Wir verfolgen insbesondere die Entwicklung isotroper stretch-devices, welche über radiäre Zugkräfte zyklischer Membranen Wandspannungen in Herzzellen erzeugen, welche eher der normalen Auslenkung im Herzen als Hohlorgan entsprechen. Zellreaktionen auf derartige stretch-Profile können dann mit linearen Profilen verglichen werden, um ein besseres Verständnis zu im Herzen isotrop auftretenden Zugbelastungen einzelner Zellen zu entwickeln. Ähnlich zu den Device Entwicklungen unserer Skelettmuskel-Systeme (‚MyoRobot‘) sollen auch hier mechatronische Ansätze zur Automatisierung umgesetzt werden.

Stretch Device

Abbildung: Entwicklung von ‚Cell Stretch‘ Technologien für die Medizintechnik und biomedizinische Forschung zur Mechanobiologie von Zellen. A, uniaxialer, linearer cell stretcher mit Polymer-Membran, auf der atriale Herzzellen adhärent aufgebracht und mit einem Ca2+ Fluoreszenz-Farbstoff markiert mit einem Konfokalmikroskop untersucht werden. Gedehnte Zellen nehmen nach Zugabe von externem Ca2+ vermehrt Ca2+ durch Einstrom von außen auf. B, isotropes cell stretcher Design zur Übertragung einer radialen Zugkomponente auf eine zirkuläre PDMS-Membran zum Studium von Zellreaktionen auf isotropen mechanischen Stress. C, isotropes (biaxiales) Dehnungsverhalten der Membran anhand der Trajektorien fluoreszierender Beads auf der PDMS Membran.

Ziel des Projektes soll die Entwicklung eines automatisierten Cell-Stretch Systems sein, welches in Zukunft im Bereich der biomedizinischen Forschung und Medizintechnik zur Untersuchung von Mechanotransduktion und mechanischer Signalwege in Zellen an verschiedenen Mikroskopen eingesetzt werden kann.

Literatur

  • Friedrich O, Wagner S, Battle AR, Schürmann S, Martinac B (2012). Mechano-regulation of the beating heart at the cellular level – Mechano-sensitiv channels in normal and diseased heart. Prog Biophys Mol Biol 110: 226-238.

  • Yost MJ, Simpson D, Wrona K, Ridley S, Ploehn HJ, Borg TK, Terracio L (2000). Design and construction of a uniaxial cell stretcher. Am J Physiol Heart Circ Physiol 279: H3124-H3130.