ERC Starting Grant voor Roxanne Kieltyka: stamcellen in gels
Chemicus Roxanne Kieltyka heeft een ERC Starting Grant van 2 miljoen euro ontvangen. In haar lab maakt ze gels die het materiaal nabootsen dat cellen in ons lichaam ondersteunt. Met de subsidie wil ze deze gels stijf en taai maken – net zoals in het lichaam – en een bio-geprinte miniatuurhartkamer produceren.
Gels die zichzelf kunnen genezen
Kieltyka werkt op het gebied van de supramoleculaire chemie, een veld waarin grote, geordende structuren worden gemaakt van kleine moleculen. Deze moleculen vormen door middel van niet-covalente bindingen – zoals waterstofbruggen – lange ketens en uiteindelijk een gel-achtige substantie. Deze klasse van materialen heeft opmerkelijke eigenschappen vanwege de dynamische aard van die niet-covalente bindingen die ze bij elkaar houden. Zo kunnen ze reageren op hun omgeving en vertonen ze zelfgenezend gedrag. ‘Zowel hun structuur als hun vermogen om biologische signalen te geven maken ze perfect voor het nabootsen van de extracellulaire matrix, een biologisch materiaal dat zich gedraagt als een ondersteunende steiger voor cellen in het lichaam,’ zegt Kieltyka.
De kunst van het ontwerpen
Om zulke materialen te maken, ontwerpt Kieltyka de moleculaire bouwstenen – ook wel monomeren genoemd – op een specifieke manier. ‘We voorzien de monomeren van speciale moleculaire groepen die automatisch niet-covalente interacties met elkaar aangaan en zo opstapelen tot polymeren – lange ketens van monomeren.’ In haar onderzoek gebruikt Kieltyka squaramiden als bouwstenen: een klasse van vlakke, vierkante verbindingen met vier koolstofatomen in de kern. Op elke hoek zit een zuurstof- of stikstofatoom, die waterstofbruggen aan kunnen gaan. Hierdoor ontstaan lange ketens van deze bouwstenen, die uiteindelijk een gel vormen.
De gel stamcellen ‘voeren’
Deze gels kan Kieltyka vervolgens gebruiken om het gedrag van cellen te onderzoeken en te sturen met behulp van biofysische en biochemische signalen. Hiervoor ‘voert’ ze de gel zogeheten geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's), een klasse van cellen die door middel van een proces dat differentiatie wordt genoemd, vrijwel elk type cel kunnen worden. Dit maakt het mogelijk om een reeks kunstmatige weefsels te maken. ‘Tot nu toe hebben we de zelfherstellende eigenschap van het materiaal gebruikt om iPSC's in de gels te kweken. Het is zelfs mogelijk om deze cellen op een milde manier uit het materiaal te halen, zodat we ze achteraf kunnen analyseren voor latere toepassingen,’ zegt ze.
Stijvere gels maken
Er is echter één nadeel: de gels die Kieltyka momenteel maakt zijn veel zachter dan de echte weefsels in het lichaam. De ERC Starting Grant biedt Kieltyka de mogelijkheid om nieuwe chemische strategieën te ontwikkelen om dit probleem te overwinnen. ‘We zullen nieuwe supramoleculaire materialen maken met een reeks reactieve groepen waarvan we de reactiesnelheid kunnen aanpassen om verstijving van deze gels in ruimte en tijd te kunnen bepalen.’ Haar uiteindelijke doel is om deze materialen te gebruiken om een driedimensionale bioprint te maken van een miniatuurhartkamer, die is ingebed in hartcellen gemaakt van stamcellen. Dit miniatuurhartmodel kan worden gebruikt voor medicijntesten en om ziek hartweefsel beter te begrijpen.