An der Technischen Universität München (TUM) ist es Forschenden gelungen, Stammzellen mithilfe von Nanorobotern gezielt in Knochenzellen umzuwandeln. Die winzigen Systeme reagieren auf Laserlicht und üben mechanische Kräfte auf die Zellwand aus, wodurch biochemische Prozesse in Gang gesetzt werden. So lässt sich die Entwicklung von Stammzellen kontrollieren und für künftige Therapien nutzbar machen.
Die neue Methode basiert auf der präzisen Steuerung mechanischer Stimulation in einer dreidimensionalen Umgebung. Die Nanoroboter bestehen aus Goldstäbchen und Polymerketten, bewegen sich in einem Gelkissen und beeinflussen gezielt einzelne Zellen. Durch die Kombination aus Laserlicht und definierter Kraftübertragung entsteht ein Verfahren, das die Herstellung ausdifferenzierter Zellen erheblich beschleunigen kann.
Mechanische Präzision durch Nanoroboter
Die von Prof. Berna Özkale Edelmann entwickelten Nanoroboter sind zentrale Bestandteile dieser biotechnologischen Innovation. Mehrere Millionen der winzigen Strukturen befinden sich in einem nur 60 Mikrometer großen Gelkissen zusammen mit menschlichen Stammzellen. Angetrieben durch Laserlicht stimulieren sie die Zellen mechanisch, indem sie gezielten Druck ausüben.
„Wir erhitzen das Gel lokal und können mit unserem System die Kräfte exakt bestimmen, mit denen die Nanoroboter auf die Zelle drücken – und sie so anregen“, erklärt die TUM-Professorin. Diese präzise Steuerung ermöglicht, dass die mechanischen Reize biochemische Reaktionen auslösen, welche Proteine aktivieren, die besonders für die Bildung von Knochen wichtig sind.
Biochemische Prozesse und Zellreaktionen
In der Zelle bewirken die Nanoroboter eine Veränderung von Ionenkanälen und eine Aktivierung bestimmter Proteine. Die mechanische Stimulation löst eine Kaskade von Vorgängen aus, die die Differenzierung der Stammzellen zu Knochenzellen einleiten.
Wird das richtige Belastungsmuster gefunden, reagieren die Zellen in einem definierten Rhythmus und mit geringer Kraft besonders zuverlässig. Innerhalb von drei Tagen lässt sich die gewünschte Reaktion auslösen, nach drei Wochen entstehen aus den Stammzellen Knochenzellen. Diese gezielte Steuerung gilt als ein wichtiger Fortschritt für biotechnologische Anwendungen in der regenerativen Medizin.
Herz- und Knorpelzellen im Fokus weiterer Forschung
Das Prinzip lässt sich laut Prof. Özkale Edelmann auch auf andere Zelltypen übertragen. „Das entsprechende Belastungsmuster lässt sich auch für Knorpel- und Herzzellen finden“, sagt sie. Die Forschenden vergleichen den Prozess mit gezieltem Training: Jede Zellart benötigt ihr eigenes Belastungsprofil, um die gewünschte Differenzierung zu erreichen.
Damit erweitert sich das Potenzial der Nanoroboter weit über die Knochenregeneration hinaus. Durch systematische Variation von Druck und Rhythmus sollen künftig auch Herz- und Knorpelzellen reproduzierbar hergestellt werden. Das Verfahren könnte so neue Perspektiven in der Zellherstellung und in der regenerativen Medizin eröffnen.
Automatisierung als nächster Schritt
Für therapeutische Anwendungen sind große Mengen an ausdifferenzierten Zellen erforderlich. „Deshalb ist es im nächsten Schritt wichtig, unsere Produktion zu automatisieren, um schneller mehr Zellen herstellen zu können“, erklärt Prof. Özkale Edelmann. Etwa eine Million Zellen werden für eine Therapie benötigt – ein Ziel, das mit automatisierten Prozessen erreichbar scheint.
Die Forschenden sehen in der Automatisierung einen entscheidenden Fortschritt, um die Effizienz der Zellproduktion zu erhöhen. Nanoroboter könnten dadurch zu einem integralen Bestandteil biotechnologischer Herstellungsverfahren werden, die künftig gezielt und reproduzierbar Zellen für medizinische Zwecke erzeugen.
Perspektiven für die Biotechnologie
Die Kombination aus mechanischer Präzision, Lichtsteuerung und kontrollierter Stimulation zeigt, wie Nanoroboter die gezielte Steuerung von Zellprozessen ermöglichen. Die Forschung an der TUM belegt, dass sich Stammzellen mithilfe mechanischer Kräfte zuverlässig in spezialisierte Zelltypen verwandeln lassen.
Damit entsteht ein neuartiger Ansatz innerhalb der Biotechnologie, der die Differenzierung von Stammzellen beschleunigen und therapeutische Anwendungen vereinfachen kann. Die Verbindung von Nanotechnologie und Zellbiologie eröffnet dabei vielfältige Perspektiven für künftige Entwicklungen in der regenerativen Medizin.
Originalpublikationen:
Photothermally Powered 3D Microgels Mechanically Regulate Mesenchymal Stem Cells Under Anisotropic Force; Chen Wang, Nergishan Iyisan, Philipp Harder, Valentin H. K. Fell, Viktorija Kozina, Hendrik Dietz, Olivia M. Merkel, and Berna Özkale; Advanced Materials, 9-2025; https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202506769
Hydrostatic Pressure Induces Osteogenic Differentiation of Single Stem Cells in 3D Viscoelastic Microgels; Nergishan İyisan, Fernando Rangel, Leonard Funke, Bingqiang Pan, Berna Özkale; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202500287