Neue lichtbasierte Technologien zur Steuerung des Zellverhaltens
In den beiden Publikationen, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, stellen Forschende neue lichtbasierte Technologien vor, mit denen sich das Verhalten von Zellen mit bisher unerreichter Genauigkeit steuern lässt. Unter der Leitung von CEPLAS-Mitglied Matias Zurbriggen (HHU) und Mustafa Khammash vom Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) der ETH Zürich zeigen diese Studien, wie Cybergenetics mit Hilfe von Licht das Verhalten von Zellen in konstruierten zwei- und dreidimensionalen Geweben steuern kann.
In der ersten Studie wird „µPatternScope“ vorgestellt, eine hochentwickelte optogenetische Plattform, die es Wissenschaftler*innen ermöglicht, komplexe Zellmuster zu formen, indem sie mit hoher Präzision Apoptose auslösen. µPatternScope nutzt bildgesteuertes Echtzeit-Feedback, um räumliche Lichtmuster zu steuern, die selektiv den programmierten Zelltod in Säugetierzellkulturen auslösen. Die Forschenden demonstrierten seine Fähigkeiten anhand eines „Tic-Tac-Toe“-Spiels, bei dem lichtgesteuerte Apoptosemuster das klassische Spielfeld bildeten, was das Potenzial von µPatternScope für interaktive und dynamische Zellmusterung verdeutlicht. Dieser innovative Ansatz hat das Potenzial, Anwendungen im Tissue Engineering zu revolutionieren, indem er die Schaffung präzise strukturierter Gewebeformen ermöglicht, die natürliche Prozesse wie die Morphogenese nachahmen.
Die zweite Studie geht noch einen Schritt weiter und ermöglicht den Einsatz von lichtempfindlichen Genschaltern zur Modulation des Zellverhaltens in dreidimensionalen Gewebekulturen. Die Forschenden demonstrierten erfolgreich die kontrollierte Einleitung der Nekroptose und die Regulierung der synthetischen WNT3A-Signalübertragung in Säugetierzellmodellen durch die Anwendung gezielter blauer und roter Lichtmuster. Diese Entwicklungen sind besonders vielversprechend für die Weiterentwicklung von 3D- Gewebemodellen, da das vom Team entwickelte System kritische Zellverhaltensweisen in komplexen Strukturen manipulieren kann, was das Potenzial für programmierbare Organ- und Gewebemodelle unterstützt. Diese Arbeit bietet einen neuen experimentellen Rahmen für die Untersuchung der Zellkommunikation und der Gewebebildung in einer kontrollierten Umgebung und zeigt neue Wege für die Anwendung der lichtbasierten genetischen Kontrolle in der regenerativen Medizin und der Modellierung von Krankheiten auf.