Celrespons in het lichaam aan het licht gebracht

Het leven van een cel kan inspannend zijn. Als de cel zich geen zorgen hoeft te maken over indringers zoals virussen of vervelende bacteriën, heeft hij wel te maken met een steeds veranderende micro-omgeving. Het gaat dan vooral om veranderingen in de geometrie van de oppervlakken waarop hij zich bevindt.

“De micro-omgeving van een cel is een drukke plek. De cel heeft te maken met de extracellulaire matrix (ECM) – het complexe netwerk dat bestaat uit vezels, suiker en water – en natuurlijk andere cellen”, zegt Maaike Bril, PhD-onderzoeker bij de faculteit Biomedical Engineering. “Samen beïnvloeden deze dingen de functie en de algehele levenscyclus van de cel.”

Deze constante interactie tussen cellen en hun micro-omgeving, beter bekend als dynamische wederkerigheid, is op zijn zachtst gezegd complex. “Door de interacties passen zowel de cellen, als de omgeving voortdurend hun structuren, geometrieën en biofysische eigenschappen aan”, zegt Nicholas Kurniawan, assistent-professor aan de faculteit Biomedical Engineering. “Toch valt er nog veel te leren over hoe cellen reageren op geometrische veranderingen in de micro-omgeving.”

In een blauw licht

Er zijn veel laboratoriumstudies gedaan naar hoe cellen reageren op veranderingen in hun micro-omgeving. In veel onderzoeken ontbreekt echter een belangrijk aspect.

“Eerdere studies richten zich over het algemeen op een statische situatie waarbij cellen op substraten worden geplaatst die geometrisch kunnen worden veranderd, maar in diezelfde configuratie blijven voor de duur van het experiment”, zegt Bril. “Dit is niet representatief voor de echte micro-omgeving waar de weefselvorm continu verandert.”

Om dit aspect weer te geven hebben Bril, Kurniawan en andere collega’s van de TU/e een substraat voor celkweek ontwikkeld, waarvan de vorm of oppervlaktetopografie kan worden veranderd met behulp van licht. Hun artikel over dit onderwerp verscheen in Advanced Science.  

“Het substraat is gemaakt van een foto-responsieve hydrogel op basis van spiropyraan. Wanneer het substraat wordt belicht met blauw licht (golflengte 455 nanometer) met specifieke ruimtelijke patronen, zwelt de hydrogel op en verandert het van vorm, waarbij het de patronen van het licht volgt”, zegt Bril. “Bovendien zijn de veranderingen omkeerbaar, wat betekent dat de hydrogel kan worden gebruikt om het effect van verschillende oppervlaktetopografieën op cellen te bestuderen.”

Hydrogels herontwerpen

Voordat de onderzoekers cellen konden kweken op de lichtgevoelige hydrogels, moesten ze een belangrijk probleem oplossen. “We moesten de hydrogel opnieuw ontwerpen voordat we er cellen op konden laten groeien,” zegt Bril.

Om te helpen bij het ontwerp van de hydrogel, namen Bril en Kurniawan contact op met de groep van Albert Schenning (professor aan de faculteit Chemical Engineering and Chemistry), die gespecialiseerd is in de ontwikkeling van materialen waarvan de eigenschappen kunnen worden veranderd met behulp van licht.

“Schenning’s team voerde hun eerdere onderzoek uit in water en bij kamertemperatuur. Om cellen te laten groeien zijn de omstandigheden echter anders. Ze moeten groeien op een oppervlak, in een medium dat de groei bevordert. Ook hebben ze zuurstof nodig en een vochtige atmosfeer bij een temperatuur van ongeveer 37 °C – de kerntemperatuur van het menselijk lichaam”, zegt Kurniawan.

Echter bleek dat de chemische samenstelling van het kweekmedium de reactie van de hydrogel op licht beïnvloedde. Dit verklaart waarom de onderzoekers een nieuwe hydrogel moesten ontwikkelen die specifiek bedoeld was om een omgeving te creëren waarin cellen kunnen groeien. “Om dit op te lossen, hebben we een laag elastisch rubber toegevoegd. Deze laag beschermt de hydrogel tegen de chemicaliën in het celkweekmedium, die anders de manier waarop de hydrogel op licht reageert zouden beïnvloeden”, zegt Bril.

Het geheugen van fibroblasten

Wat betreft het type cellen dat ze met hun nieuwe methode wilden bestuderen, richtten de onderzoekers zich op fibroblastcellen. Dit zijn cellen die verantwoordelijk zijn voor het onderhoud van de huid, verschillende weefsels en onze organen. En ze deden een verrassende ontdekking!

“We ontdekten dat de fibroblasten zich de vormveranderingen kunnen ‘herinneren’ die eerder hebben plaatsgevonden aan de oppervlakken waarop ze zich bevonden. Dit is een compleet nieuw inzicht!” zegt Bril opgewonden. “Deze herinnering aan de dynamiek uit het verleden stelt de cel in staat om zijn werking aan te passen aan zijn behoeften. Dit kan enorm belangrijk zijn om bij het ontwerpen van toekomstige biomaterialen of betere behandelingen om wondgenezing te ondersteunen.”

Nu de onderzoekers weten hoe cellen reageren op veranderingen in oppervlakken, willen ze meer te weten komen over wat er binnenin cellen gebeurt tijdens die reacties op vormveranderingen in hun omgeving.

“Het zou geweldig zijn om te weten welke eiwitten in een cel essentieel zijn voor vormveranderingen. En om te bestuderen hoe deze een zogenaamd mechanisch geheugen, of in dit geval topografisch geheugen, beïnvloeden”, zegt Bril.

Daarnaast zijn de onderzoekers van plan om de interactie met andere cellen meer in detail te bestuderen, omdat in de praktijk cellen in het lichaam nou eenmaal niet alleen zijn. “Het leven van een cel staat of valt met de interactie en communicatie met naburige cellen”, voegt Bril toe.

Naast het verder onderzoeken van cel-cel interacties, willen de onderzoekers ook zien hoe hun onderzoek op nieuwe en spannende manieren kan worden toegepast. “Vormveranderende hydrogels die een levende celmatrix ondersteunen, zouden veel toepassingen kunnen hebben die nog onderzocht moeten worden. We zouden ze bijvoorbeeld kunnen gebruiken om na te bootsen hoe weefsel tijdens de groei van vorm en grootte verandert”, zegt Kurniawan.

Meer informatie

“Shape-morphing photoresponsive hydrogels reveal dynamic topographical conditioning of fibroblasts”, Bril et al., Advanced Science, (2023).