Trypanosomen sind Protozoen, die Krankheiten bei Mensch und Tier verursachen, die unbehandelt infaust verlaufen. Die Zellen sind hoch motil, angetrieben von einem einzelständigen Flagellum, welches entlang des Zellkörpers angeheftet ist. Selbst in Zellkultur hören Trypanosomen niemals auf sich zu bewegen und eine Ablation funktioneller Bestandteile des Flagellarapparates ist letal für Blutstromformen. Es wurde gezeigt, dass Motilität notwendig ist für die Zellteilung, Organellenpositionierung und Infektiosität. Dies macht Trypanosomen zu besonders geeigneten Modellorganismen für die Untersuchung der Motilität. Dennoch ist erstaunlich wenig über die Motilität bei Trypanosomen bekannt. Dies gilt auch noch genereller für die Protozoen. Unlängst ist dieses Gebiet allerdings in den Fokus vieler Arbeiten gerückt, was bereits erstaunliche, neue Erkenntnisse hervorgebracht hat. Doch Vieles ist noch nicht abschliessend geklärt, so z.B. wie der Flagellarschlag genau reguliert wird, oder wie sich der Schlag des Flagellums entlang des Zellkörpers ausbreitet. Die vorliegende Arbeit befasst sich besonders mit den Einflüssen, die die Mikroumgebung auf die Motilität von Blutstromform-Trypanosomen ausübt. In ihrem natürlichen Lebensraum finden sich Trypanosomen in einer hoch komplexen Umgebung wieder. Dies gilt sowohl für den Blutkreislauf, als auch für den Gewebezwischenraum in ihrem Säugerwirt. Die hohe Konzentration von Zellen, Gewebeverbänden und extrazellulären Netzwerken könnte man als Ansammlung von Hindernissen für die Fortbewegung auffassen. Diese Arbeit zeigt dagegen, dass der Mechanismus der Bewegung eine Adaptation an genau diese Umweltbedingungen darstellt, so z.B. an die Viskosität von Blut. Es wird auch ein Bewegungsmodell vorgestellt, das erläutert, worin diese Adaption besteht. Dies erklärt auch, warum die Mehrheit der Zellen einer Trypanosomenkultur eine ungerichtete Taumel-Bewegung aufweist in nieder-viskosem Medium, das keine solchen “Hindernisse” enthält. Die Zugabe von Methylcellulose in einer Konzentration von ca. 0,5% (w/v) erwies sich als geeigneter Ersatz von Blut, um optimale Bedingungen für gerichtetes Schwimmen von Blutstromform Trypanosomen zu erreichen. Zusätzlich wurden in dieser Arbeit unterschiedliche Arten von Hindernissen, wie Mikroperlen (Beads) oder molekulare Netzwerke, sowie artifizielle, geordnete Mikrostrukturen verwendet, um die Interaktion mit einer festen Matrix zu untersuchen. In deren Anwesenheit war sowohl die Schwimmgeschwindigkeit, als auch der Anteil an persistent schwimmenden Trypanosomen erhöht. Zellen, die frei schwimmend in Flüssigkeiten vorkommen (wie Euglena oder Chlamydomonas), werden effizient durch einen planaren Schlag des Flagellums angetrieben. Trypanosomen hingegen mussten sich evolutionär an eine komplexe Umgebung anpassen, die mit einer zu raumgreifenden Welle interferieren würde. Der dreidimensionale Flagellarschlag des, an die Zelloberfläche angehefteten, Flagellums erlaubt den Trypanosomen eine effiziente Fortbewegung durch die Interaktion mit Objekten in jedweder Richtung gleichermassen. Trypanosomen erreichen dies durch eine hydrodynamisch verursachte Rotation ihres Zellkörpers entlang ihrer Längsachse, entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Einfluss der Mikroumgebung wurde in früheren Untersuchungen bisher vernachlässigt, ist zum Verständnis der Motilität von T. brucei jedoch unerlässlich. Ein weiterer, bisher nicht untersuchter Aspekt der Beeinflussung der Motilität durch die Umwelt sind hydrodynamische Strömungseffekte, denen Trypanosomen im kardiovaskulären System ausgesetzt sind. Diese wurden in dieser Arbeit mittels Mikrofluidik untersucht. Um unser Verständnis der Motilität von Trypanosomen von 2D, wie üblich in der Motilitätsanalyse mittels Lebend-Zell-Mikroskopie, auf drei Dimensionen auszudehnen, wurde als bildgebendes Verfahren auch die Holographie eingesetzt. Mikrofluidik und Holographie sind beides aufkommende Techniken mit großem Anwendungspotential in der Biologie, die zuvor noch nie für die Motilitätsanalyse von Trypanosomen eingesetzt worden waren. Dies erforderte daher interdisziplinäre Kooperationen. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit auch ein vollständig automatisiertes und Software-gesteuertes Fluoreszenzmikroskopiesystem entwickelt, das in der Lage ist, einzelne Zellen durch entsprechende Steuerung des Mikroskoptisches autonom zu verfolgen und somit eine Bewegungsanalyse in Echtzeit ermöglicht, ohne weitere Benutzerinteraktion. Letztendlich konnte dadurch auch die Bewegung der schlagenden Flagelle und des gesamten Zellkörpers mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung mittels Hochgeschwindigkeits-Fluoreszenzmikroskopie aufgeklärt werden. / Trypanosomes are protozoa causing fatal diseases in livestock and man. The cells show vivid motility, driven by a single flagellum that runs along the cell body, attached to the cell surface. Even in cell culture, trypanosomes never stop moving and ablation of functional components of the flagellum is lethal for bloodstream-forms. Motility has been shown to be essential for cell division, organelle positioning and infectivity. This renders trypanosomes valuable model organisms for studying motility. But, surprisingly little is known about motility in trypanosomes, as well as in protozoa, in general. Recently, motility of trypanosomes therefore has gotten into the spotlight of interest which brought some new insights, but many essential points are still a matter of debate, for example how the flagellar beat is regulated or how it is propagated along the cell body. In this work, the effects of the micro-environment of blood-stream form trypanosomes on motility were investigated. In their natural habitat, trypanosomes find themselves in a crowded environment. This is not only the case in the blood circulatory system, but also in extra-tissue space. The high concentration of cells and extra-cellular networks might be regarded as a kind of obstacle to cellular motion. This work shows that the mode of motility of bloodstream form trypanosomes instead is adapted to the viscosity of blood. Also a mechanistic model is presented which elucidates how this adaptation works. This also explains why most trypanosomes are tumbling in low-viscous cell culture medium, lacking other cellular components. Addition of Methylcellulose at a concentration of about 0.5% (w/v) was found to be a potent substitute for blood, providing optimal conditions for trypanosome motility. Also different types of obstacles like beads and molecular networks, as well as arranged pillar microstructures were used as a tool to mimic interaction with a solid matrix. In presence of these, the swimming speed as well as the percentage of persistent swimming cells was increased. Cells inhabiting an open-ranged environment (like Euglena or Chlamydomonas) are efficiently propelled by a planar flagellar wave. Trypanosomes in contrast, had to evolutionary adapt to a crowded environment, which would infer with any extensive planar wave. The three-dimensional flagellar beat of the attached flagellum allows trypanosomes to harness any rigid matrix for effective propulsion, in all directions equally. Trypanosomes achieve this by a rotational counter-clockwise motion of their whole cell body. Another environmental aspect for trypanosome motility that had not been studied before is the influence of hydrodynamic flow, which trypanosomes are subjected to, when swimming in the blood circulatory system. For studying this, in this work, the motilty of trypanosomes was analyzed in microfluidic devices. To extend our understanding of trypanosomal motility from 2D, like in standard microscopy based live-cell imaging analysis, to 3D, a imaging technique known as holography was used, in addition. Microfluidics as well as Holography both are emerging, high-potential techniques in biology, which had not been used for the motility analysis of trypanosomes before and establishing this therefore only got possible due to interdisciplinary collaborations. In addition, a custom fully automated, software-controlled, fluorescence microscopic system was developed in this work, which is able to track and follow single cells for motility analysis in real-time without the need for user input. The motion of the flagellar beat and the cell itself was investigated at high spatio-temporal resolution using highspeed fluorescence microscopy.

Hintergrund: Das akute Nierenversagen ist eine häufige Komplikation nach einer Herzoperation bei Neugeborenen, Säuglingen und Kleinkindern. Die Bedeutung der postoperativen Hämodynamik für eine Nierenschädigung ist gut bekannt, jedoch ist der Einfluß des kardiopulmonalen Bypasses und des tiefen hypothermen Kreislaufstillstandes weniger klar. Überdies gibt es Veränderungen der Blutviskosität während und nach der Herzoperation am kardiopulmonalen Bypass, welche die Nierenfunktion beeinflussen können. Aus diesem Grunde wurde der Einfluß der Blutviskosität am kardiopulmonalen Bypass und des tiefen hypothermen Kreislaufstillstandes auf die Nierenfunktion in dieser Patientengruppe untersucht. Methode: Untersucht wurden 44 Patienten mit einem Körpergewicht unter 10 kg, die am kardiopulmonalen Bypass operiert wurden. Von diesen erfolgte die Herzoperation bei 7 Patienten unter zusätzlicher Anwendung des tiefen hypothermen Kreislaufstillstandes. Bei allen Patienten wurden zu verschiedenen Zeitperioden Messungen zur Beschreibung der Nierenfunktion (Diurese, Kreatinin-Clearance und Gesamtprotein, Albumin, alpha-1-Mikroglobulin, Transferrin, IgG, N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase im Urin) und Bestimmungen der Blut- und Plasmaviskosität, der Erythrozytenaggregation und des kolloidosmotischen Druckes durchgeführt. Beide Gruppen wurden hinsichtlich des Einflusses des Kreislaufstillstandes auf die Nierenfunktion miteinander verglichen. Ergebnisse: Die während des kardiopulmonalen Bypasses im Zusammenhang mit einem erhöhten transglomerulären Filtrationsgradienten entstandene Polyurie und Proteinurie normalisierte sich innerhalb von 24 Stunden postoperativ. Die renale Ausscheidung von N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase und die erhöhte Natriumausscheidung zeigten zusätzlich eine tubuläre Schädigung an. Bei Hypothermie hatte die Plasmaviskosität einen deutlichen Einfluß auf die Blutviskosität, die während hypothermer Perfusion mit den im Urin gemessenen Werten von Albumin und N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase korrelierte. Die Patienten in der Kreislaufstillstandsgruppe hatten eine längere Bypasszeit und eine niedrigere minimale Körpertemperatur im Vergleich zu den Patienten ohne Kreislaufstillstand (p < 0,05). Diurese und Kreatinin-Clearance zeigten keine Differenzen zwischen beiden Gruppen. Während der Reperfusion wurde in der Kreislaufstillstandsgruppe signifikant mehr Albumin renal ausgeschieden als in der Vergleichsgruppe, ebenso Albumin und N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase nach dem kardiopulmonalen Bypass (p < 0,01). Schlußfolgerung: Die kardiopulmonale Bypassperfusion könnte eine Proteinurie und einen milden tubulären Schaden verursachen. Die Blutviskosität scheint dafür ein mitbestimmender Faktor zu sein und ist möglicherweise während hypothermer Perfusion wesentlich von der Plasmaviskosität abhängig. Es ist notwendig und wünschenswert anhand einer prospektiven Interventionsstudie den Einfluß der Blut- und Plasmaviskosität auf die postoperative Nierenfunktion zu untersuchen. Der tiefe hypotherme Kreislaufstillstand kann die Empfindlichkeit der Niere für einen Ischämie-Reperfusions-Schaden steigern. Obgleich die Befunde mild sind und keinen schweren ischämischen Nierenschaden anzeigen, sollte der durch den Kreislaufstillstand verursachte potentielle Nierenschaden für die Planung des chirurgischen Eingriffs bei Patienten mit angeborenen Herzfehlern als zusätzliches Risiko für ein akutes Nierenversagen mit in Betracht gezogen werden. / Background: Acute renal failure is a common complication after cardiopulmonary bypass in infants. Whereas it is well known that postoperative hemodynamics inflict acute renal failure, the influence of extracoporeal circulation on the kidney is less clear. Moreover, changes in blood viscosity occur during and after surgery, which may influence renal dysfunction. For this reason, the impact of blood viscosity during cardiopulmonary bypass and circulatory arrest on renal function was investigated. Methods: 44 patients weighting less than 10 kg operated on cardiopulmonary bypass were investigated, inclusive of 7 patients who additionally underwent circulatory arrest. In all patients analyses of renal function (diuresis, creatinine clearance, urinary total protein, albumin, alpha-1-microglobulin, transferrin, IgG, and N-acetyl-beta-D-glucosaminidase), blood, and plasma viscosity measurements, erythrocyte aggregation and colloid osmotic pressure were performed. Both groups were compared with regard to the impact of circulatory arrest on renal function. Results: Polyuria and proteinuria that appeared during cardiopulmonary bypass indicated an elevated transglomerular filtration gradient, which recovered within 24 hours. The appearance of N-acetyl-beta-D-glucosaminidase in the urine and elevated sodium excretion were additionally indicative of mild tubular damage. With hypothermia, plasma viscosity could had a major impact on the blood viscosity, which, during hypothermic perfusion, seemed to be related to proteinuria and N-acetyl-beta-D-glucosaminidase values. The patients of the circulatory arrest group had a longer bypass time and a lower body temperature in compare to the patients without circulatory arrest (p < 0.05). Diuresis and creatinine clearance revealed no differences between both groups. During reperfusion in the circulatory arrest group significantly more albumin were excreted as in the comparison group, likewise albumin and N-acetyl-beta-D-glucosaminidase after cardiopulmonary bypass (p < 0.01). Conclusions: Cardiopulmonary bypass perfusion could cause proteinuria and mild tubular damage. Blood viscosity may be one possible contributing factor, which in hypothermia may depend mainly on plasma viscosity. It is necessary and desirable to investigate the impact of blood, and plasma viscosity on postoperative renal function based on a prospective intervention study. The deep hypothermic circulatory arrest can increase the sensitivity of the kidney to an ischemia-reperfusion injury. Although the findings are mild and do not indicate severe ischemic renal damage, potential renal damage by deep hypothermic circulatory arrest should be taken into account for planning surgical procedures for congenital heart disease patients with additional risks of acute renal failure.