Prof. Dr. Matthias Lütolf, Institute of Bioengineering, EPFL

Februar 2016

Wenn biologisches Wissen mit Ingenieurwissen gepaart wird, spricht man von Bioengineering. Erkenntnisse aus diesem Forschungsbereich lassen sich besonders nutzbringend anwenden. Doch wie lassen sich beispielsweise Stammzellen beeinflussen, um sie in der Regeneration von Zellen und Geweben einzusetzen oder sie industriell zu nutzen? Bioengineering macht dies möglich und Prof. Dr. Matthias Lütolf und sein Team sind Experten auf diesem Gebiet. Mit ihrer zukunftsträchtigen Forschung leisten sie einen entscheidenden Beitrag, um diese und andere Fragen zu lösen.

Stammzellen sind die Basis, um zerstörte oder veraltete Zellen in unserem Körper zu erneuern. Sie spielen eine wichtige Rolle in Forschung und Medizin. Heute lassen sich beliebige Körperzellen, beispielsweise Hautzellen, durch Reprogrammierung in sogenannte induzierte, pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) umwandeln. Diese besitzen die Fähigkeit, sich in alle Zellarten unseres Körpers (z. B. Haut-, Leber- oder Nervenzellen) zu verwandeln. iPS-Zellen sind auch für die Industrie von riesigem Interesse, um beispielsweise Wirkstoffe in der Zellkultur möglichst realistisch (d. h. unter Bedingungen fast wie im Körper eines Patienten) und in grossem Stil zu testen. Dafür werden jedoch grosse Mengen an Stammzellen benötigt. Ein standardisiertes Verfahren, um iPS-Zellen aus Körperzellen herzustellen, existierte bisher nicht.

Prof. Lütolf und seiner Gruppe ist es gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, bei welchem sich Zellen in grossen Mengen und wesentlich schneller in Stammzellen umwandeln lassen. Diese bahnbrechende Methode nutzt ein dreidimensionales, mit Wachstumsfaktoren angereichertes Gel, durch welches die Zellen sozusagen «gequetscht» werden. «Wir haben realisiert, dass die Zellumgebung entscheidend für das Wachstum von praktisch allen Zellarten ist», erklärt Matthias Lütolf. Er fügt an: «Durch Anpassung der Zellumgebung und damit der Dichte und Zusammensetzung des Gels werden Zellen unterschiedlichen Kräften ausgesetzt und dadurch gezwungen, bei der Reprogrammierung viel schneller ein ursprünglicheres Zellschicksal einzunehmen.» Der genaue Mechanismus, der hinter dieser Umwandlung steckt, ist jedoch noch unklar. Prof. Lütolf und seine Gruppe arbeiten im Moment daran, dieses Geheimnis zu lüften.

Neben einzelnen Zellen beschäftigen sich Prof. Lütolf und sein Team auch intensiv mit der frühen Entwicklung von Organen. Bisher ist es zwar nicht möglich, Organe wie Herz, Leber oder Gehirn künstlich herzustellen, organähnliche Strukturen, sogenannte Organoide (maximal ein paar Millimeter gross), verhalten sich jedoch ähnlich wie Organe und besitzen eine vergleichbare Zusammensetzung. Organoide können im Labor aus Stammzellen erzeugt werden. Prof. Lütolf und Prof. Tanaka ist es im Jahr 2014 zum ersten Mal gelungen, Mini-Neuralrohre in einer dreidimensionalen Zellkultur herzustellen, in welcher verschiedene Nervenzellen nachgewiesen werden konnten. In vorangegangenen Studien gelang bisher nur die Entwicklung sehr einfacher Strukturen mit nur einer Art von Nervenzellen. Neuralrohre sind die embryonalen Anlagen des zentralen Nervensystems (Gehirn und Rückenmark). «Dank solcher Organoide kann man beispielsweise die frühe Entwicklung des zentralen Nervensystems beobachten und möglicherweise Erkenntnisse zur Behandlung von Rückenmarkserkrankungen gewinnen», meint Matthias P. Lütolf. «Das so hergestellte Gewebe kann zudem für die Arzneimittelforschung und langfristig auch in der regenerativen Medizin verwendet werden.»

Prof. Dr. Matthias Lütolf studierte Materialwissenschaften an der ETH Zürich und promovierte unter der Leitung von Prof. Dr. Jeffrey A. Hubbell am Institut für Biomedical Engineering der ETH Zürich und der Universität Zürich. An der Stanford University vertiefte er seine Forschung im Rahmen eines Postdoktorats. Danach erhielt er eine Assistenzprofessur am Institut für Bioengineering an der EPFL, welche im Jahr 2014 in eine ausserordentliche Professur mündete. Seit dieser Zeit ist Matthias Lütolf auch Direktor des Instituts.

Prof. Matthias Lutolf
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