Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Photonik in Deutschland hat ein neuartiges Lab-on-a-Chip-System entwickelt, das intelligente Hydrogel-Mikrostrukturen nutzt, um präzise kontrollierten Druck auf die mikroskopische Umgebung von Zellen auszuüben. Diese Methode, veröffentlicht in der Fachzeitschrift *Lab on a Chip*, kann zur Erforschung mechanischer Gewebeerkrankungen und zur medizinischen Diagnostik beitragen.

Zellen sind typischerweise in eine dreidimensionale Netzwerkstruktur, die sogenannte extrazelluläre Matrix, eingebettet, deren biomechanische Wechselwirkungen für viele Lebensprozesse entscheidend sind. Bisherige experimentelle Methoden ließen sich nur schwer in miniaturisierte Systeme integrieren und wiesen eine begrenzte Manipulationspräzision auf. Die neue Methode der Forschungsgruppe um Dr. Katja Zieske ermöglicht die räumlich und zeitlich kontrollierte mechanische Beeinflussung von Biopolymernetzwerken auf einem Chip und erlaubt so die Beobachtung mikroskopischer Veränderungen in den damit verbundenen biologischen Prozessen.

Kern dieses Systems ist die Verwendung intelligenter Hydrogel-Mikrostrukturen als Mikroaktoren. Diese aus Polymeren bestehenden Materialien können als Reaktion auf Reize wie Licht oder Temperatur strukturelle Veränderungen erfahren, die zu Kontraktion oder Expansion führen. Das Forschungsteam nutzte diese Eigenschaft, um spezifische biomechanische Kräfte auf Netzwerke wie Kollagen anzuwenden und die Kompatibilität des Systems mit lebenden Zellen zu überprüfen. „Unsere Methode kann mechanische Kräfte mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision erzeugen und deren Auswirkungen auf biologische Systeme aufzeichnen“, sagte Vicente Salas-Quirós, Erstautor der Studie. „In Kollagen konnten wir diese kraftinduzierten Veränderungen sogar über Entfernungen von Hunderten von Mikrometern durch die Verfolgung fluoreszierender Mikrokügelchen nachweisen.“ Die Forscher stellten thermoresponsive Hydrogel-Mikrostrukturen in einer Durchflusskammer her und optimierten sie, indem sie diese durch Temperaturstimulation expandierten, um verschiedene Proteinnetzwerke zu komprimieren. Experimente zeigten, dass das Matrigel-Netzwerk plastische Verformung erfuhr, während das Kollagen-Netzwerk elastische Verformung aufwies. Dieses Lab-on-a-Chip-System bietet eine vielseitige Plattform zur Untersuchung der Umstrukturierung der extrazellulären Matrix und der Auswirkungen mechanischer Kräfte auf die zelluläre Mikroumgebung.

Dr. Katja Zieske skizzierte die zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten: „Unsere Vision ist die Entwicklung intelligenter Mikrostrukturen für die medizinische Diagnostik, um so zu nachhaltigen Gesundheitssystemen beizutragen – beispielsweise für die Erforschung dreidimensionaler Zellmodellsysteme wie Krebs- und Angiogenesemodelle. Intelligente Hydrogel-Mikrostrukturen in Lab-on-a-Chip-Systemen könnten als Miniaturmaschinen dienen, die Gewebemodelle im Mikrometerbereich manipulieren. Wir sehen enormes Potenzial in ihren diagnostischen Anwendungen.“ Weitere Informationen: Vicente Salas-Quiroz et al., „Stimulation-Induced Mechanical Compaction of Biopolymer Networks via Intelligent Hydrogel Microstructures“, Lab-on-a-Chip (2025).