Der Einfluss von sub-µm Oberflächenstrukturen auf pluripotente Stammzellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Arnold Gillner; Professor Dr. Wolfgang Wagner
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 402197212

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) haben das Potential in alle Zelltypen unseres Körpers zu differenzieren, wobei der Einfluss von Oberflächenstrukturen auf Differenzierungsvorgänge bisher weitgehen unbekannt ist. In unseren Vorarbeiten haben wir periodische Rillenstrukturen im Submikrometerbereich mittels Laserinterferenzabtrag erzeugt. Durch diese Strukturen wurden die Organisation von iPSC Kolonien, die Orientierung von apikalen Aktinfilamenten, sowie die Zellteilungsebenen beeinflusst. Übergeordnetes Ziel der folgenden Arbeitspakete ist die Untersuchung, ob durch die Weiterentwicklung dieser Technologie eine gezielte Steuerung von iPSC ermöglicht ist.(1) Herstellung maßgeschneiderter sub-mikrometer Strukturen auf Biomaterialien. Mittels Laserinterferenz werden komplexe, periodische, homogene fortgesetzte Oberflächenstrukturen auf ausgedehnten Flächen generiert. Ultrakurz gepulste Laserstrahlung in Kombination mit verschiedenen optischen Aufbauten werden eingesetzt um unter anderem Polystyrol (PS) in konventionellem Zellkulturplastik mit minimaler Materialdegradierung zu strukturieren. (2) Einfluss von Oberflächenstrukturen auf die Pluripotenz. Auf den sub-µm Strukturen werden Morphologie, Motilität, Zellteilungsverhalten und Heterogenität von iPSC Kolonien verglichen. Außerdem werden das Reprogrammierungsverhalten, die Organisation des Zytoskeletts und die Genexpressionsprofile untersucht. (3) Einfluss von Oberflächentopographie auf die Differenzierung von iPSC. Wir erwarten, dass die sub-mikrometer Strukturen Auswirkungen auf gerichtete zelluläre Differenzierung haben. Daher werden frühe Differenzierungsvorgänge und die Reorganisation in iPSC Kolonien untersucht sowie die ungerichtete und linienspezifische Differenzierung auf den verschiedenen Oberflächen. (4) Einfluss des YAP/TAZ Signalwegs auf die Interaktion mit Oberflächenstrukturen. YAP und TAZ spielen eine zentrale Rolle für die Mechanotransduktion. Die Expression dieser Proteine wird mittels CRISPR-Cas9n moduliert um den Einfluss auf die zelluläre Antwort auf Oberflächenstrukturen besser zu verstehen. Darüber hinaus wird der Einfluss von verschiedenen Signalkaskaden mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung adressiert. Dieses Forschungsprojekt beruht auf der Kombination von Lasertechnologie und Stammzellbiologie. Es eröffnet neue Perspektiven um pluripotente Stammzellen durch Oberflächenstrukturen zu modifizieren – wodurch eine gerichtete Differenzierung für die regenerative Medizin und das Wirkstoffscreening erreicht werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen