Stimulation von Zellwachstum in dynamisch modulierten akustischen Kraftfeldern - vom Phänomen zum Mechanismus
- Die Stimulation von Zellwachstum zur Geweberegeneration ist ein wichtiger Bestandteil der regenerativen Medizin und biomedizinischen Forschung. Akustische Wellen haben sich in den letzten Jahrzehnten zu einer wichtigen Technologie zur Förderung von Heilungsprozessen etabliert und haben großes Potenzial für die weitere Entwicklung dieses Bereichs. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Phänomen des akustisch stimulierten Zellwachstums und dessen zugrundliegenden Mechanismen. Zur Erzeugung akustischer Kraftfelder wird die Technologie der akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, SAW) angewendet, die sich in den letzten Jahren als vielversprechende Methode zur Stimulation von Zellwachstum in vitro herausgestellt hat.
Akustische Oberflächenwellen werden durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung auf piezoelektrischen Substraten erzeugt und breiten sich als mechanische Deformation entlang der Oberfläche aus. Vorarbeiten zeigen, dass sich dasDie Stimulation von Zellwachstum zur Geweberegeneration ist ein wichtiger Bestandteil der regenerativen Medizin und biomedizinischen Forschung. Akustische Wellen haben sich in den letzten Jahrzehnten zu einer wichtigen Technologie zur Förderung von Heilungsprozessen etabliert und haben großes Potenzial für die weitere Entwicklung dieses Bereichs. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Phänomen des akustisch stimulierten Zellwachstums und dessen zugrundliegenden Mechanismen. Zur Erzeugung akustischer Kraftfelder wird die Technologie der akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, SAW) angewendet, die sich in den letzten Jahren als vielversprechende Methode zur Stimulation von Zellwachstum in vitro herausgestellt hat.
Akustische Oberflächenwellen werden durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung auf piezoelektrischen Substraten erzeugt und breiten sich als mechanische Deformation entlang der Oberfläche aus. Vorarbeiten zeigen, dass sich das Zellwachstum, insbesondere in Wundheilungsmodellen, durch die so entstehende mechanische Vibration des Substrats auf mehr als das Doppelte beschleunigen lässt. Die zugrundeliegenden intrazellulären Mechanismen dieses Phänomens wurden bisher noch nicht identifiziert und sind ein zentraler Bestandteil der hier vorliegenden Arbeit. Die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Untersuchungen zu den Auswirkungen verschiedener akustischer Kraftfelder auf Zellen und Zellwachstum lassen sich in folgende vier Kernanwendungen gliedern: 1. Anwendung dynamisch modulierter akustischer Kraftfelder zur Untersuchung von Endothelzellen aus humanen Aorten unter akustischer Strömung, 2. Beeinflussung von Neuritenwachstum durch statische und dynamisch modulierte akustische Potentiallandschaften, 3. Quantifizierung von Stimulationsgrenzen von Zellwachstum im Wundheilungsmodell durch dynamisch modulierte akustische Kraftfelder und 4. Identifikation intrazellulärer Mechanismen der SAW-stimulierten Wundheilung.
Zunächst wird der Einfluss akustisch erzeugter Strömungen auf die Struktur von Endothelzellen untersucht. Die akustisch erzeugten dynamischen Kraftfelder können in dem hier entwickelten Aufbau Aorta-on-a-SAW-Chip bereits nach kurzer Behandlungszeit morphologische Veränderungen in Endothelzellen aus humanen Aorten induzieren. Auch auf intrazellulärer Ebene können verschiedene Strömungsbedingungen zudem Merkmale des Aktin-Zytoskeletts dieser Zellen verändern.
Direkte Einflüsse statischer und dynamisch modulierter akustischer Stehwellenfelder werden durch Analysen des Neuritenwachstums von Neuroblastomzellen quantifiziert. Die hier erzeugten akustischen Potentiallandschaften führen dazu, dass Neuriten verstärkt entlang von Vorzugsrichtungen in den Druckminima des Kraftfeldes sowie senkrecht dazu wachsen. Weitere dynamische Modulationen akustischer Kraftfelder geben zudem einen Einblick in die Grenzen der Stimulierbarkeit von Zellwachstum im Wundheilungsmodell. Während unter Variation der SAW-Amplitude bei einer im zeitlichen Mittel konstanten Leistung die Stimulationseffizienz der behandelten Zellen erhalten bleibt, zeigt die Stimulierbarkeit unter weiterer Modulation eine Abhängigkeit von der Pulsbreite des SAW-Signals. Unterhalb einer kritischen Pulsbreite wird keine Stimulation der Wundheilung mehr beobachtet.
Um das Phänomen der SAW-stimulierten Wundheilung weiter aufzuklären, werden durch einen Blick in das Zellinnere mögliche intrazelluläre Mechanismen untersucht, die mit dem Prozess der Zellmigration verbunden sind. Analysen verschiedener genetisch modifizierter Zelllinien mit unterschiedlicher Expression von Membranproteasen sollen den Einfluss des Glykosylierungsmusters von Zellen auf ihre Stimulierbarkeit näher beleuchten. Die Zelllinien weisen unterschiedliche Wundheilungsgeschwindigkeiten auf, die mit zunehmendem Komplexitätsgrad der genetischen Veränderung abnehmen und unabhängig von der SAW-Stimulation sind. Da somit kein Einfluss der Glykosylierung auf den Stimulationsmechanismus feststellbar ist, wird weiterhin untersucht, ob die akustische Stimulation die Aktivität von mechanosensitiven Proteinen in der Wundheilung verändert. Während zwar teilweise erhöhte Proteinaktivitäten im gesamten Zellrasen sowie in einzelnen migrierenden Zellen beobachtet werden, lässt sich im Mittel jedoch keine signifikante Abhängigkeit von der SAW-Stimulation erkennen. Zuletzt werden Auswirkungen der Stimulation mit akustischen Kraftfeldern auf das Aktin-Zytoskelett quantifiziert, das eine zentrale Rolle bei der Mechanotransduktion und Migration von Zellen spielt. Die Behandlung mit SAW führt zu Veränderungen von Aktineigenschaften, wie der Breite und Orientierung der Filamente, sowie zu einer veränderten Orientierung von Zellkernen und ganzen Zellen. Die Stimulation führt zu einer verstärkten Ausrichtung von Filamenten und Kernen in die Ausbreitungsrichtung der Welle und damit Migrationsrichtung, was sich auch in der Morphologie der Zellen anhand einer schnelleren Ausrichtung der Zellen in Migrationsrichtung äußert und damit mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Phänomen der beschleunigten Wundheilung unter SAW-Stimulation führt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen somit deutlich, dass sich Zellwachstum durch dynamisch modulierte akustische Kraftfelder beeinflussen lässt, und liefern Einblicke in die intrazellulären Mechanismen der akustisch stimulierten Geweberegeneration, die für zukünftige Anwendungen der SAW-Technologie essentiell sind.…
