De cellen in onze weefsels zijn omgeven door een netwerk van kleine en grote (macro)moleculen die vezels vormen, de extracellulaire matrix (ECM). Deze matrix ondersteunt de cellen zowel structureel als biochemisch. Om deze omgeving na te bootsen in het lab, maken onderzoekers vaak gebruik van biomaterialen zoals collageen, waarin of -op de cellen kunnen vertoeven. Maar deze commercieel verkrijgbare materialen zijn lang niet voor ieder type cel bruikbaar, vertelt scheikundige Patricia Dankers van de Technische Universiteit Eindhoven. ‘Onze droom is om een volledig artificiële ECM te maken, waarbij we de interacties tussen cellen en het omliggende materiaal nauwkeurig kunnen sturen.’

Met haar onderzoeksgroep knutselt Dankers aan speciale supramoleculaire polymeren die de complexiteit en functie van de ECM zo goed mogelijk moeten nabootsen. De eigenschappen van de ECM variëren voor elk orgaan of weefsel in het lichaam – bijvoorbeeld in de stijfheid, poriegrootte, aanwezige bindingsmoleculen, enzovoort. ‘Door zowel biofunctionaliteit, dynamische eigenschappen en covalente bindingen aan de polymeren toe te voegen, werken we steeds meer toe naar een synthetisch netwerk dat ook complexere cellen kan sturen en onderhouden’, vertelt Dankers. ‘Denk bijvoorbeeld aan het groeien van zenuwcellen of kleine primitieve mini-orgaantjes zoals nierorganoïden.’

De afgelopen weken publiceerde Dankers’ groep een rits aan ontwikkelingen omtrent het toevoegen van functionaliteit aan hun supramoleculaire polymeren voor de creatie van biomaterialen zoals coatings en hybride, bioactieve hydrogels. Daarbij varieert het werk van een eerste succesvolle binding van grote eiwitten aan de supramoleculaire polymeren tot het kweken van plantencellen in supramoleculaire hydrogels. Dankers: ‘Ik vind het machtig mooi om op synthetische wijze moleculen te dicteren om te doen wat je hebt bedacht, en zo cellen te kunnen sturen. Al gebeurt er vaak juist iets wat we niet hadden voorzien. Dat is wellicht het meest interessante.’

Reversibele binding

Hoofdrolspeler in alle publicaties is het ureido-pyrimidinon (UPy) molecuul, een waterstofbindende groep die in 1997 is ontwikkeld door scheikundige Bert Meijer. Door dimerisatie van twee UPy-groepen en het stapelen van deze dimeren op elkaar vorm je zogeheten supramoleculaire polymeren – vezels waarvan de monomere eenheden reversibel aan elkaar verbonden zijn. ‘De resulterende reversibele, macromoleculaire eigenschappen maken UPy zeer geschikt om biomaterialen van te maken.’

Op de weg naar een artificiële ECM werken de onderzoekers aan verschillende aspecten. Zo combineerden de onderzoekers covalente en dynamisch covalente bindingen met de reversibele UPy-interacties in volledig synthetische systemen, wat ze publiceerden in JACS voor de vorming van dubbel dynamische coatings en in Macromolecules voor de vorming van controleerbare covalente, supramoleculaire hydrogels. Dankzij deze combinatie viel de mechanica van het netwerk te tunen van 10 tot 1000 Pa bij eenzelfde concentratie van de componenten.

In ander werk gaven de onderzoekers biofunctionaliteit aan de supramoleculaire polymeren door grote eiwitten, zoals het antilichaam Cetuximab, te koppelen aan de UPy-monomeren (Bioconjugate Chemistry). Dankzij het antilichaam konden cellen aan de supramoleculaire polymeren binden. ‘Vooraleer dit lukte moesten we eerst fundamenteel bestuderen hoe de vezels zich opbouwen, en hoe we gebruikmakend van zogenoemde spacer-monomeren ruimte konden creëren voor de eiwitten om te reageren aan de reactieve groepen’, vertelt Dankers.

Waar veel studies rondom hydrogels werken met dierlijke cellen, onderzocht het team vervolgens of hun supramoleculaire netwerk ook bruikbaar was om plantencellen te cultiveren. Met name de regeneratie van protoplasten – plantencellen waarvan de celwand verwijderd is – blijft een uitdaging in agriculturele biotechnologie. Door een peptide aan de hydrogels te binden, lukte het de onderzoekers om protoplasten te laten regenereren tot plantencellen. Ze publiceerden dit in Advanced Biology.

Juiste balans

Het koppelen van eiwitten aan de supramoleculaire polymeren vormde voor Dankers een belangrijke doorbraak in het werk. Het realiseren van deze binding was dan ook een van de grootste uitdagingen. ‘De zoektocht naar de juiste balans tussen hydrofobe en hydrofiele eigenschappen voor de vorming van robuuste vezels was een flinke klus’, legt ze uit. ‘Pas toen we begrepen hoe we de balans tussen deze twee eigenschappen van de supramoleculaire polymeren konden bijsturen, lukte het om eiwitten te koppelen.’ Deze fundamentele studie publiceerden ze in weer een andere JACS-paper. ‘Ook moesten we voorkomen dat de vezels te dynamisch waren, omdat de gefunctionaliseerde eiwitten anders weg konden diffunderen.’

Daarnaast bleek de omgang met plantencellen ingewikkelder dan verwacht. ‘Dat hadden we een beetje onderschat’, vertelt Dankers. ‘Onze groep heeft flink wat ervaring met dierlijke cellen en daarom dachten we dit simpel toe te kunnen passen op plantencellen, maar die bleken veel lastiger te kweken. We begrijpen nog steeds niet helemaal welke biofunctionaliteit we precies moeten toevoegen voor plantencellen om het optimale resultaat te bereiken. Dat is uitdagend werk voor de toekomst.’

Automatisering

Op het bureau van Dankers liggen alweer meerdere publicaties te wachten om af te ronden en in te dienen. ‘Stapje voor stapje blijven we de complexiteit en functionaliteit van onze synthetische supramoleculaire netwerken verhogen’, vertelt ze. ‘Zo werken we nu aan het groeien van neuronen zodat we wellicht signaaltransductie over de supramoleculaire vezels kunnen laten plaatsvinden.’

Verder focust Dankers zich momenteel op het automatiseren van bepaalde stappen in het onderzoek. Zo zijn gloednieuwe robots aangeschaft om mengsels te pipetteren en zodoende de formuleringen te optimaliseren. Daarnaast moet een kersverse confocale microscoop met behulp van machinelearning-algoritmes geautomatiseerd gaan uitpluizen welke formuleringen tot welke fysisch-chemische eigenschappen leiden om zodoende cellen op een juiste manier te sturen. ‘We werken toe naar een set-up die voorspellingen kan doen over welke bouwstenen we nodig hebben voor een bepaalde functionaliteit, bijvoorbeeld om bepaalde cellen te binden of een medicijn vrij te geven. Daarmee hopen we een complexiteit te bereiken die groter is dan wat we zelf kunnen bedenken.’