Regulation der Morphogenese und der Mechanik von Epithelien durch schaltbare Nano-Switches für die Zelladhäsion

Die physikalische Barrierefunktion gehört zu den wesentlichen Aufgaben von Epithelien und wird durch die Eigenschaften von Zytoskelett–Netzwerken und Zell–Zell-Kontakten bestimmt. Eine Modulation der Struktur dieser zellübergreifenden Matrix makromolekularer Komplexe und eine damit verbundene Optimierung der mechanischen Eigenschaften von epithelialen Zellverbänden soll in diesem Projekt durch eine räumlich hierarchische und zeitlich veränderliche Nanostrukturierung von Kulturoberflächen erreicht werden. Ziel ist die Herstellung von einschichtigen Epithelien in–vitro (tissue engineering), deren mechanische Eigenschaften durch eine gezielte Manipulation biophysikalisch relevanter Strukturen des Zytoskeletts auf der Nanometerskala entsprechend den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden können. Dabei ist es das Ziel des Teilprojektes, über kombinierte mikro– und nanoskalige (bio)chemische Patterns auf dem Substrat nicht nur das Aufwachsverhalten und die Anordnung der Zellen auf der chemisch strukturierten Oberfläche gezielt zu untersuchen und zu kontrollieren, sondern erstmals auch subzelluläre Strukturen über die Kopplung an das chemisch nanostrukturierte Substrat von außen zu beeinflussen und zu definieren. Für eine solche Kontrolle sind biochemisch funktionelle Strukturen mit Linienbreiten im Bereich von 20–100nm erforderlich, ein Bereich, der sich ideal mit der Karlsruher Technik des Molecular Editing realisieren lässt.

In einem zweiten Schritt sollen für die Herstellung der funktionellen Patterns auf der Oberfläche photoaktivierbare und photoschaltbare Moleküle eingesetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Beeinflussung sowohl der Zelle als Ganzem als auch der intrazellulären Struktur einzelner Zellen durch das Substrat gezielt über einen Lichtpuls einzuschalten, was in zweierlei Hinsicht sehr wesentlich ist: (i) Auf diese Weise lässt sich gezielt der Einfluss des chemischen Musters auf dem Substrat auf die Zellanordnung und Gewebebildung einerseits und auf die intrazelluläre Struktur andererseits untersuchen. (ii) Nur auf diese Weise erhält man einen direkten Zugang zum zeitlichen Verhalten der Zellantwort auf eine Veränderung des chemischen Musters auf einer Oberfläche. Das Muster lässt sich instantan per Laserpuls „einschalten“, und wir beobachten per Rasterkraftmikroskopie und konfokaler Fluoereszenzmikroskopie die Antwort der Zellen und der intrazellulären Struktur auf der Nanometerskala als Funktion der Zeit. (iii) Neben diesen Untersuchungen zum grundlegenden Verständnis von Zelle–Oberfläche–Wechselwirkungen versprechen die Experimente zur lokalen, ortsselektiven Photoaktivierung von chemischen Patterna auf der Nanometerskala auch ein neuartiges Werkzeug zur aktiven, zeitabhängigen Kontrolle von Zellverhalten auf Oberflächen bis hin zur zeitabhängigen Kontrolle der intrazellulären Struktur.

Das Projekt baut dabei auf der Kompetenz in der AFM–induzierten chemischen Nanostrukturierung, der Abbildung und Oberflächencharakterisierung mittels Chemical Contrast Imaging (AG Schimmel, Karlsruhe), der Kompetenz im Bereich der Laserstrukturierung sowie der Charakterisierung im Pulsed Force Mode des AFM (AG Marti, Ulm) sowie der Untersuchungen im Bereich der Zellbiologie (AG Beil, Ulm) auf.