Een nieuwe manier om materialen te koppelen aan levende cellen, ontwikkeld aan de Universiteit Twente, maakt het mogelijk om het lichaam iets te léren. Of, omgekeerd, om óns meer te leren over de interactie van de cel met zijn omgeving. Het materiaal wordt niet rechtstreeks aan de cel gekoppeld, maar via een tussenstap. Dit voorkomt bijvoorbeeld afweerreacties, en maakt het ook mogelijk om de koppeling aan- of uit te zetten: dat is van belang bij het ‘sturen’ van stamcellen of het beïnvloeden van cellen rondom bijvoorbeeld een tumor. Tom Kamperman en Jeroen Leijten hebben hun techniek, die zij discrete inducible on-cell crosslinking (DOCKING) hebben genoemd, gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials.
Het is voor cellen van levensbelang dat ze hun omgeving kunnen voelen. Mechanische eigenschappen beïnvloeden bijvoorbeeld heel sterk het gedrag van stamcellen: een zachte omgeving zet aan tot vet en een harde omgeving zet aan tot bot formatie. In de meeste onderzoeken en therapieën worden cellen daarom gecombineerd met materialen waaraan ze zich kunnen vasthechten om het materiaal te kunnen ‘voelen’. Echter, dergelijke cel bindende materialen hebben als nadeel dat ze ook de aanhechting van immuun cellen van het lichaam toelaten, wat een sterke afweerreactie initieert. Deze tweestrijd is niet eenvoudig op te lossen en belemmert bijvoorbeeld de werking van implantaten door vorming van littekenweefsel.
Tyrosine en tyramine
De onderzoekers hebben nu een geheel nieuwe manier gevonden om cellen chemisch te binden aan materialen die van zichzelf inert zijn, dus waar cellen normaliter niet aan kunnen vasthechten. De onderzoekers gebruiken daarvoor het aminozuur tyrosine dat van nature volop aanwezig is op en rondom cellen. Een biomateriaal wordt eerst gefunctionaliseerd met tyramine, een molecuul waarvan de structuur veel overeenkomsten heeft met het natuurlijke aminozuur tyrosine. Door een celvriendelijke chemische reactie kan het biomateriaal vervolgens op commando aan een cel worden vastgeplakt. Op deze manier kunnen de onderzoekers controleren welke cellen wanneer mogen en kunnen aanhechten: wanneer de chemische reactie wordt stopgezet wordt het materiaal weer door andere cellen gezien als inert. Hierdoor kunnen geselecteerde cellen het biomateriaal voelen en dus sturing van stamcel gedrag toelaten terwijl de vorming van littekenweefsel rondom het materiaal niet actief wordt gestimuleerd.
Keus binnen een dag
Deze nieuwe manier van aanhechting gebruiken de onderzoekers om enerzijds meer te weten komen over het functioneren van de cel, en anderzijds om cellen te stimuleren en sturen met mechanische prikkels. Het is bijvoorbeeld al bekend dat een stamcel die zich in een zachte omgeving bevindt, zich typisch ontwikkelt tot vetweefsel. In een stijve omgeving daarentegen, ontwikkelt de cel zich tot bot. De nieuwe koppelmethode maakte het ook mogelijk een belangrijke nieuwe vraag te beantwoorden: wanneer zijn die mechanische prikkels nodig om stamcel gedrag te sturen? Uit experimenten met de nieuwe DOCKING-koppeling kwam de verrassende conclusie dat de belangrijkste beslissingen door een ‘harde of zachte omgeving’ al binnen een enkele dag gemaakt worden: de initiële omgeving voor cellen bepaalt hoe ze een wond genezen of een levend implantaat laten functioneren.
'Boost' aan regeneratieve geneeskunde
Het meten en controleren van stijfheid in weefsels speelt ook een belangrijke rol in allerlei ziektebeelden zoals tumoren en verklevingen. Het nieuwe DOCKING-platform biedt, naast de bestaande methodes, een nieuwe ‘toolkit’ waarmee de onderzoekers op een andere manier interacties tussen cellen en andere materialen onderzoeken en sturen. Met dit nieuwe instrument hopen ze een boost te geven aan onderzoeken op het gebied van regeneratieve geneeskunde en medicijnafgifte systemen, maar ook commerciële toepassingen van stamcellen zoals de productie van kweekvlees.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Developmental BioEngineering, onderdeel van het TechMed Centre van de UT. Tom Kamperman en Jeroen Leijten hebben samengewerkt met de Optical Sciences groep (MESA+ Instituut), de Division of Engineering in Medicine van Harvard Medical School, de Physical Chemistry groep van de Universität Bayreuth en de afdeling Pathology and Medical Biology van het Universitair Medisch Centrum Groningen.
Het paper ‘Tethering cells via enzymatic oxidative crosslinking enables mechanotransduction in non-cell-adhesive materials’, door Tom Kamperman, Sieger Henke, João Crispim, Niels Willemen, Pieter Dijkstra, Wooje Lee, Herman Offerhaus, Martin Neubauer, Alexandra Smink, Paul de Vos, Bart de Haan, Marcel Karperien, Su Ryon Shin and Jeroen Leijten, is een onderdeel van de NWO Rubicon beurs van Tom Kamperman en de NWO Vidi beurs, en ERC Starting Grant van Jeroen Leijten, en haalde de cover van Advanced Materials.
