DE102006036380A1

DE102006036380A1 - Verfahren zur Beeinflussung lebender Zellen durch Zell-Oberflächen-Wechselwirkung

Info

Publication number: DE102006036380A1
Application number: DE102006036380A
Authority: DE
Inventors: Juliane Dipl.-Phys. Ißle; Uwe Prof. Dr. Hartmann
Original assignee: Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Universitaet des Saarlandes
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-02-07
Also published as: WO2008014782A3; US20090325257A1; EP2047265A2; WO2008014782A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung lebender Zellen durch Zell-Oberflächen-Wechselwirkung, wobei biologisch wirksames Material zur Zell-Oberflächen-Wechselwirkung an magnetisches Trägermaterial aufgebracht wird, wobei anschließend dieses magnetische Trägermaterial auf ein magnetisches Trägersubstrat aufgebracht wird, wobei dieses Trägersubstrat in Verbindung zu den lebenden Zellen gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung lebender Zellen durch Zell-Oberflächen-Wechselwirkung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Den Erfindern ist es bekannt, dass bereits Immobilisierungsschritte bei Applikation von Wachstumsfaktoren mittels einfacher Adsorption an biokompatiblen Oberflächen unternommen wurden. Zur Adsorption ist es nötig, die Wachstumsfaktoren erst in einem Lösemittel zu lösen, diese Lösung auf ein Substrat aufzubringen und sie anschließend eintrocknen zu lassen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, kontrolliert lebende Zellen durch Zell-Oberflächen-Wechselwirkung zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst, indem biologisch wirksames Material zur Zell-Oberflächen-Wechselwirkung an magnetisches Trägermaterial aufgebracht wird, wobei anschließend dieses magnetische Trägermaterial auf ein magnetisches Trägersubstrat aufgebracht wird, wobei dieses Trägersubstrat in Verbindung zu den lebenden Zellen gebracht wird.
Als magnetisches Trägermaterial können magnetische Teilchen mit Durchmessern von unter einem 1 μm verwendet werden. Diese sogenannten „Nanobeads" können beispielsweise aus dem magnetischen Material Magnetit bestehen. Kommerziell sind solche Nanobeads mit verschiedenen reaktiven Oberflächengruppen (Carboxyl-, AminoGruppen etc.) zu erhalten. An diese Oberflächengruppen können als biologisch wirksames Material beispielsweise Wachstumsfaktoren und Proteine für verschiedenste Zelltypen kovalent angebunden werden.
Durch die kovalente Anbindung ist das biologisch wirksame Material gut an das magnetische Trägermaterial angebunden. Das magnetische Trägermaterial wird durch magnetische Wechselwirkung auf ein magnetisches Trägersubstrat aufgebracht. Durch die Anbindung des biologisch wirksamen Material „folgt" dieses dem magnetischen Trägermaterial und ist in der entsprechenden räumlichen Struktur auf dem magnetischen Trägersubstrat verteilt.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist die Magnetisierung des Trägersubstrats durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes änderbar.
Vorteilhaft kann damit die räumliche Anordnung des magnetischen Trägermaterials auf dem magnetischen Trägersubstrat beeinflusst werden. Es ist zum einen möglich, die Magnetisierung des Trägersubstrats vor dem Aufbringen des magnetischen Trägermaterials einzustellen.
Es ist aber auch möglich, eine Änderung der Magnetisierung nach dem Aufbringen des magnetischen Trägermaterials vorzunehmen. Dies kann insbesondere auch dann erfolgen, wenn das biologisch wirksame Material bereits mit den lebenden Zellen in Wechselwirkung ist.
Es ist daher nicht nur eine räumlichen Variation der Anordnung des magnetischen Trägermaterials und damit auch des biologisch wirksamen Materials möglich sondern auch eine zeitliche Änderung dieser Anordnung.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 verlaufen elektrische Leiterbahnen in dem magnetischen Trägersubstrat. Das äußere Magnetfeld ist durch einen Stromfluss in den elektrischen Leiterbahnen änderbar.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, in einfacher Weise sehr gezielt und gut einstellbar ein Magnetfeld bestimmter Struktur und bestimmter Größe zu erzeugen.
Generell ist bei den Magnetfeldern zu beachten, dass diese die Wirksamkeit des biologisch wirksamen Materials nicht beeinträchtigen sollten.
Bei dem vorliegenden Verfahren können insbesondere auch Stammzellen zur Differenzierung gebracht werden.
Beim Stand der Technik ist das biologisch wirksame Material wie beispielsweise die Wachstumsfaktoren einerseits nicht mehr in flüssiger Umgebung. Dadurch wird die Funktionalität beeinflusst. Weiterhin ist das biologisch wirksame Material nicht sehr stark an die Oberfläche gebunden. Dies kann zu erneutem Ablösen führen.
Außerdem ermöglicht die aus dem Stand der Technik bekannte Präparation keine Strukturierung im Nanometer- bis Mikrometerbereich.
Indem dies mit dem vorliegenden Verfahren möglich wird, ergeben sich demgegenüber Aufschlüsse bezüglich Zellreaktionen auf verschiedene Strukturen.
Bei der vorliegenden Erfindung werden magnetische Trägersubstrate (Dünnschichten) verwendet, die eine bestimmte magnetische Domänenstruktur aufweisen. Diese Domänenstruktur lässt sich durch äußere Magnetfelder in ihrer Form und Stärke beeinflussen, womit eine hohe Variabilität des Systems erreicht wird.
Durch die Verwendung der Chiptechnologie (Leiterbahnen in ein biokompatibles Substrat eingebettet) ergibt sich ebenfalls eine Möglichkeit zur Herstellung von Trägersubstraten mit variablen (elektro-) magnetischen Strukturen, die durch Einsatz von elektrischem Strom beeinflusst werden.
Insgesamt wird es mit der vorliegenden Erfindung möglich, Wachstumsfaktoren und spezielle Proteine, deren Vorhandensein eine Voraussetzung zur kontrollierten Beeinflussung von Zellen, insbesondere auch Stammzellen, ist, modular an eine Oberfläche anzubinden. Mit der Anordnung ist es insbesondere möglich, Einflüsse zu klassifizieren, die durch Oberflächenstrukturen oder bestimmte Anordnungen der Wachstumsfaktoren hervorgerufen werden.
Durch die Möglichkeit, das beschriebene System aus Biomolekülen und Trägersubstraten durch äußere elektromagnetische Felder während der Zellkultivierung strukturell beeinflussen zu können, ergeben sich neue Anwendungsgebiete bezüglich der Untersuchung von Reaktionen biologischer Systeme, basierend auf zeitlich und strukturell veränderlichen Trägersubstraten.
Die Erfindung nutzt außerdem aus, dass eine kovalente Bindung des biologisch wirksamen Materials wie beispielsweise der Wachstumsfaktoren an das magnetische Trägermaterial (Nanobeads) erfolgt. Dies ist auf jeden Fall eine stärkere und damit stabilere Immobilisierung der Biomoleküle als es bei Physisorption der Fall wäre.
Die anschließende Anbindung der Nanobeads mittels magnetischer Kräfte an die Trägersubstrate ist ebenfalls stärker als reine Physisorption.
Zudem ist eine Umkonfiguration der Oberflächenstruktur in gewissen Grenzen durch äußere schwache Magnetfelder, die keine weitere Auswirkung auf Zellen besitzen, möglich und das zu jedem Zeitpunkt, also beispielsweise auch während des Einsatzes in der Zellkultur.
In Abhängigkeit von der Konzentration und Größe der eingesetzten, funktionalisierten Nanobeads und der äußeren Magnetfelder, ist es möglich, den Zellen verschiedene Strukturen im Mikrometer- und Nanometerbereich von Wachstumsfaktoren zur Verfügung zu stellen.
Zusätzlich sind alle präparatorischen Schritte in Flüssigkeit durchführbar, womit sichergestellt wird, dass die Biomoleküle ihre Funktionalität nicht durch Trocknung einbüßen, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist.
Besonders vorteilhaft lassen sich mit der Erfindung in vivo Struktureigenschaften der verwendeten Substrate beeinflussen (Raum-Zeit-Profil). Wachstumsfaktoren, relevante Biomoleküle oder Proteine können in bestimmbaren Konzentrationen kontrolliert an bestimmten Stellen des Trägersubstrats angebunden werden.
Zur weiteren Zellforschung im Allgemeinen und der Erforschung der Stammzelldifferenzierung wird hiermit ein variables System zur Verfügung gestellt, das die Untersuchung von Struktureinflüssen auf zelluläre Mechanismen erlaubt. Obwohl die Strukturen veränderlich sind, kann eine stabile Immobilisierung der Biomoleküle an die Oberfläche gewährleistet werden.
Die Erfindung wird durch die beiliegenden Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren im einzelnen:
1: ein magnetisches Trägermaterial mit daran angebrachtem biologisch wirksamen Material,
2: ein magnetisches Trägersubstrat ohne äußeres Magnetfeld,
3: ein magnetisches Trägersubstrat mit äußerem Magnetfeld und
4: eine Prinzipdarstellung der Magnetstruktur auf dem Trägersubstrat mit angelegtem äußeren Magnetfeld.
1 zeigt ein magnetisches Trägermaterial 1 mit daran angebrachtem biologisch wirksamem Material 2. Das Trägermaterial 1 kann aus sogenannten Nanobeads bestehen. Diese können beispielsweise aus Magnetit (FE₃O₄) 3 bestehen. Das Nanobead kann einen Durchmesser kleiner als 20 nm aufweisen und zu ca. 80 Vol.% aus Magnetit bestehen. Dieses Magnetit kann in einer Matrix 4 eingebracht sein, die die verbleibenden 20 Vol.% einnimmt und aus dextran besteht. Die Oberfläche 5 des Nanobeads kann durch reaktive Moleküle oder Proteine gebildet werden, die beispielsweise COOH, NH2 oder andere Moleküle oder Proteine sein können.
Über diese Moleküle oder Proteine wird das magnetische Trägermaterial 1 mit dem biologisch wirksamen Material 2 dotiert, das durch eine kovalente Bindung an den Molekülen oder Proteinen der Oberfläche der Nanobeads angelagert wird.
2 zeigt ein Trägersubstrat 6 ohne anliegendes äußeres Magnetfeld.
3 zeigt das Trägersubstrat 6 mit anliegendem äußerem Magnetfeld. Dieses Magnetfeld kann mittels Permanentmagneten erzeugt werden, die entsprechend positioniert werden oder durch elektrische Spulen, die von einem steuer- bzw. regelbaren Strom durchflossen werden.
Es ist aber auch möglich, elektrische Leiterbahnen auf das Trägersubstrat 6 aufzubringen, so dass bei einem Stromfluss durch dieses elektrischen Leiterbahnen das magnetische Feld erzeugt wird.
Das magnetische bzw. magnetisierbare Trägersubstrat 6 kann aus den Elementen Y, Sm, Bi, Ga, Fe bestehen.
4 zeigt eine Prinzipdarstellung der Magnetisierung des Trägersubstrats 6.
Es ist zu sehen, dass sich Bereich ausbilden, die entsprechend den dargstellten Pfeilen unterschiedliche Orientierungen der Magnetfelder aufweisen. In der vergrößerten Darstellung sind speziell die Orientierungen in den Übergangsbereichen des Trägersubstrats 6 zu sehen.
Es hat sich gezeigt, dass sich die Nanobeads gerade in diesen Übergangsbereichen anlagern.
Nachdem ein solches Trägersubstrat 6 bestückt worden ist, kann dieses mit den lebenden Zellen in Kontakt gebracht werden. Dazu können die lebenden Zellen beispielsweise in einer wässrigen Lösung gelöst sein, in die das Trägersubstrat 6 eingetaucht wird.

Claims

Verfahren zur Beeinflussung lebender Zellen durch Zell-Oberflächen-Wechselwirkung, dadurch gekennzeichnet, dass biologisch wirksames Material 2 zur Zell-Oberflächen-Wechselwirkung an magnetisches Trägermaterial 1 aufgebracht wird, wobei anschließend dieses magnetische Trägermaterial 1 auf ein magnetisches Trägersubstrat 6 aufgebracht wird, wobei dieses Trägersubstrat 6 in Verbindung zu den lebenden Zellen gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung des Trägersubstrats 6 durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes änderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leiterbahnen in dem magnetischen Trägersubstrat 6 verlaufen und dass das äußere Magnetfeld durch einen Stromfluss in den elektrischen Leiterbahnen änderbar ist.