Viskoelastische Mikrobead-Spannungssensoren und Validierung basierend auf der Mechanobiologie von Organoiden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Balzani; Dr. Nicole Fertala
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467937258

Mechanische Kräfte, die von Zellen ausgeübt und erfahren werden, spielen eine wichtige Rolle für die Gewebemorphogenese und Organbildung. Während Techniken zur Quantifizierung mechanischer Spannungen zur Verfügung stehen, bleibt ihre Untersuchung in lebenden Geweben und Organismen eine Herausforderung. Eine neuartige Art der Spannungssensoren stellen kürzlich vorgestellte Hydrogel-basierte Mikrokügelchen dar. Diese deformierbaren kugelförmigen Sonden in Zellgröße werden in den Interzellularraum von Zellaggregaten oder -geweben injiziert und ermöglichen eine direkte Interaktion mit benachbarten Zellen. Auf der Grundlage der resultierenden Verformungen dieser Mikrokügelchen können damit mechanische Spannungen auf zellulärer Ebene quantifiziert werden. Diese Sensoren weisen bisher jedoch elastische Materialeigenschaften auf, die nach dem Einbau in eine viskoelastische Gewebeumgebung das Zellverhalten beeinflussen und damit zu Messartefakten führen können. Außerdem kann die ratenabhängige Interaktion der Zellen nicht erfasst werden. Darüber hinaus ist eine weitergehende Funktionalisierung, z.B. das Einbringen von Orts- und Orientierungsmarkern in aktuellen Spannungssensoren kaum möglich. Daher planen wir in diesem Projekt die Entwicklung neuartiger Spannungssensoren auf der Basis eines viskoelastischen Hydrogelmaterials, welches hinsichtlich der auf Zellen ansprechenden Funktionalisierung hochflexibel ist. Diese Mikrokügelchen werden mittels Mikrofluidik hergestellt und in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften auf mikro- und makroskopischer Ebene präzise charakterisiert. Darüber hinaus werden sie in pluripotente Nierenorganoide aus Stammzellen eingebaut, um ihr Potenzial zur Quantifizierung von Zellspannungen in verschiedenen Entwicklungsstadien des Organoidwachstums zu untersuchen. Für die anschließende analytische Bewertung der Perlenverformungen wird eine bereits etablierte Methode namens „Computational Analysis of Cell Scale Stress Sensing“ (COMPAX), welche auf die Anwendung dieser viskoelastischen Spannungssensoren erweitert wird, verwendet. In diesem Zusammenhang wird ein neuer Simulationsaufbau für die Spannungsberechnungen entwickelt und validiert. Mit diesen innovativen Sensoren erwarten wir eine Erweiterung der Palette mechanobiologischer Werkzeuge sowie neuartige raumzeitliche Einblicke in die Entwicklungsprozesse während der Organoidbildung, die ein besseres Verständnis von zellulären Prozessen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen