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Find and Bind: Mastering sweet cell-instructive biosystems by copycat nano-interaction of cells with natural surfaces for biotechnological applications

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Zellkommunikation auf süße Weise

Zu verstehen, wie Kohlenhydraten die Zellsignalgebung und Richtungserkennung beeinflussen, hilft den Wissenschaftlern bei der Entwicklung biomimetischer Systeme für Gewebezüchtung und -reparatur.

Industrielle Technologien

Zellen kommunizieren mittels einer Kombination aus elektrischen und chemischen Signalen über kurze und lange Strecken miteinander. Eine derartige Kommunikation hat entscheidende Bedeutung für Zelldifferenzierung, -wachstum und -überleben sowie das Wachstum und die Funktion des Organismus an sich. Auch wenn die exakten Mechanismen noch unklar sind, weiß man bereits, dass Oligosaccharide (Kohlenhydrate oder Zucker) eine Rolle bei der Richtungserkennung spielen. Die Signalisierung beinhaltet eine Zell-Matrix-Adhäsion bzw. die Bindung der Zelle an die extrazelluläre Matrix über Adhäsionsmoleküle. Dieser Mechanismus könnte sich beispielsweise bei der gesteuerten Geweberegeneration oder in der Biosensorik als nützlich erweisen. Die Wissenschaftler initiierten das EU-finanzierte Projekt FIND AND BIND ("Mastering sweet cell-instructive biosystems by copycat nano-interaction of cells with natural surfaces for biotechnological applications"), um aufzuklären, wie Oligosaccharide die Erkennung vermitteln und biologische Prozesse modulieren, um biologische Designkriterien für neuartige Hilfsmittel zu entwickeln. Zytoskelett-Glykosaminoglykane (cytoskeletal glycosaminoglycans, GAGs) sind eine Klasse extrazellulärer Oligosaccharide, die eine tragende Rolle in den Zellen übernehmen. Die Gegenwart negativ geladener funktioneller Gruppen beeinflusst deren Bioaktivität. Die Forscherinnen und Forscher untersuchten diesen Effekt in der laufenden Berichtsperiode anhand von zweidimensionalen (2D) Zellmodellen, die aus selbstorganisierten Monoschichten (Self-Assembled Monolayer, SAM) von sowohl Stammzellen als auch Chondrozyten (Knochenzellentyp, der Knorpelmatrix produziert) bestehen. Bei beiden Zelltypen beeinflusste die Sulfonierung (der Einbau negativ geladener SO3H-Gruppen) die Zellmorphologie und -mobilität auf konzentrationsabhängige Weise. Die Resultate wurden mit Hilfe von 3D-Gelmatrizen weiterentwickelt, um das extrazelluläre Milieu besser darzustellen. Die Chondrozytenaktivität, gemessen anhand der Zellausbreitung und -proliferation, war in sulfatierten Hydrogelen signifikant höher. Der im vorhergehenden Berichtszeitraum entwickelte biotinilierte Sensor für eine Quarzkristallmikrowaage mit Dissipationsmessung (QCM-D) wurde bewertet. Er erwies sich als zuverlässig für Langzeitmessungen sowie bis zu 8 Wochen bei 2 bis 8 Grad Celsius unter dunklen Lagerbedingungen als stabil. Die Sensorvorrichtung wurde dann in Kombination mit Lichtmikroskopie zur Echtzeitmessung der Zelloberflächenanhaftung von Fibroblasten und zur Bewertung der Auswirkungen verschiedener Immobilisierungsverfahren eingesetzt. Zum erfolgreichen Abschluss entwickelten die Wissenschaftler mehrere Verfahren zur Gestaltung von Glykanen, die ihre Bioaktivität beibehalten können. FIND AND BIND unternimmt wichtige Fortschritte bei der Aufklärung der Aufgabe der Oligosaccharide in Bezug auf zelluläre Signalwege. Ziel ist es, kostengünstige, wirksame diagnostische und therapeutische Instrumente für Bereiche wie die Knochen- und Geweberegeneration sowie Implantationen und Transplantationen zu finden.

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