Die Zellform ist wichtig für die Ausübung der Zellfunktion und spielt darüberhinaus eine essenzielle Rolle bei der Entwicklung eines Zellhaufens zu einem mehrzelligen Organismus. Dabei wird die Zellform neben biochemischen auch von biophysikalischen Prozessen beeinflusst: Zellkräfte sind ebenso beteiligt wie räumliche Einschränkung. Der Umfang der Wechselwirkung zwischen Umgebung, Zellform und Zellfunktion ist jedoch im Detail oft unverstanden. Ziel dieser Arbeit war daher, eine umfassende Charakterisierung von Zellen in räumlicher Einschränkung durchzuführen, um Aussagen zur Beeinflussung von Zellmorphologie und der Kraftentwicklung zu gewinnen. In dieser Arbeit wurde die Reaktion humaner Primärzellen (HUVECs) auf laterale Einschränkung untersucht. Die Zellen wurden dafür sowohl auf Glas- als auch auf Hydrogel-Substraten kultiviert, die mittels Mikrokontaktdruck von Fibronektin mit Streifenmustern im Breitenbereich von 5μm bis 80μm strukturiert worden waren. Die Zellen wurden nach der Phase der initialen Adhäsion (> 1 h) hinsichtlich ihrer allgemeinen Morphologie, des Erscheinungsbildes ihres Aktinskeletts und ihres Zellzugkraftverhaltens quantitativ beschrieben. Zusätzlich erfolgten Lebendzellmessungen, um die Dynamik des Aktinskeletts und der Zellzugkräfte zu charakterisieren. Die laterale Einschränkung führte zur strukturellen und funktionellen Adaption der Zellen. Da die Zelllänge nur geringfügig von der Streifenbreite abhing, kam es durch die seitliche Einschränkung zu einer Flächenabnahme bei gleichzeitiger Erhöhung des Zellseitenverhältnisses, wovon auch der Zellkern betroffen war. Die Ausrichtung der Aktinfasern korrelierte stark mit der Zellelongation und Zellen auf schmalen Streifen zeigten ein geringer vernetztes Aktinskelett. Messungen der Aktindynamik ergaben einen einwärts gerichteten Transport von Stressfasern. Weiterhin wurde eine Abnahme der Zugkräfte mit zunehmender Einschränkung gemessen, während gleichzeitig eine Polarisierung der Zugkräfte stattfand. Das beobachtete Verhalten der struktur- und funktionsbezogenen Zellparameter konnte gut durch die laterale Einschränkung erklärt werden, sodass die vorliegende Arbeit zu einem besseren Verständnis der Zellanpassung an räumliche Einschränkung beitragen konnte. / Proper cell shape is a precondition for the proper performance of specialized cells and changes of cell shape are paramount for the development from a cell cluster to an adult organism. Cell shape can be regulated biochemically and also biophysically, e. g., by involvement of cellular force generation and spatial confinement. However, the understanding of the interaction between exterior space, cellular form, and function is incomplete. Therefore, the aim of this thesis was to thoroughly characterize cells in spatial confinement in order to better understand how cell morphology and force generation can be linked. During the course of this work, the adaptation of human primary cells (HUVECs) to lateral constraints was investigated. Cells were seeded on both glass and hydrogel substrates which had been micropatterned with fibronectin by microcontact printing. The structures were composed of stripes with varying width (5–80 μm). After initial adhesion had taken place (> 1 h), cell morphology, actin cytoskeleton architecture, and cell traction forces were quantified. In addition, measurements were performed on live cells in order to better understand the dynamics of the actin cytoskeleton and the cell traction forces. Laterally confined cells showed both structural and functional changes. Because cell length was only weakly dependent on stripe width, cells in strong lateral confinement were highly elongated and had decreased spread areas, which also affected the nucleus. The orientation of actin fibers was strongly linked to cell elongation. In cells on narrow stripes, a reduced actin cytoskeleton was observed, i.e., with a lower degree of interconnectivity. Time resolved analysis revealed an inward transport of actin fibers. Furthermore, cell force generation was shown to be impaired on narrow stripes, most likely due to decreased cell spread area. At the same time, force polarization strongly increased in cells in strong lateral confinement. This study demonstrated how various cellular parameters, both linked to cell structure and function, are influenced by lateral confinement and by each other, thereby contributing to a better understanding of cell adaptation to spatial constraint.

Plant oriented movements, or tropisms allow the plant to actively respond to environmental stimuli to get more light, better access to nutrients and to grow roots deeper into the soil. Gravitropism drives the growth of roots along the gravity vector. Perception of gravity is triggered by the sedimentation of statoliths in columella root cap, but the exact signalling pathway behind this process is not known. Perception of gravity results in an unequal redistribution of the phytohormone auxin in the outer cell layers which leads to different rate of growth on the root's upper and lower side and bending of the root. The changes in auxin redistribution are accompanied by changes in apoplastic pH. Knowing an exact pattern of these pH changes could shed light on the mechanisms laying behind the gravitropic response pathway. While microelectrodes can be used to measure pH precisely, they are not suitable for the long-term imaging of growing roots. In the past few years, several pH sensitive dyes and genetically encoded sensors emerged. These can be used for long-term live in vivo imaging of pH changes in growing roots. In this thesis, I analysed the performance of several published pH sensitive genetically encoded sensors and available dyes in the roots of Arabidopsis thaliana. I observed that dyes varied...

Today new drugs are tested on cell cultures in wells to minimize time, cost, andanimal testing. The cells are studied using microscopy in different ways and fluorescentprobes are used to study finer details than the light microscopy can observe.This is an invasive method, so instead of molecular analysis, imaging can be used.In this project, phase-contrast microscopy images of cells together with fluorescentmicroscopy images were used. We use Machine Learning to predict the fluorescentimages from the light microscopy images using a strategy called In-Silico Labeling.A Convolutional Neural Network called U-Net was trained and showed good resultson two different datasets. Pixel-wise regression, pixel-wise classification, andimage classification with one cell in each image was tested. The image classificationwas the most difficult part due to difficulties assigning good quality labels tosingle cells. Pixel-wise regression showed the best result.

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Les cellules murales du cerveau sont un groupe de cellules neurovasculaires qui présentent une hétérogénéité moléculaire, morphologique et fonctionnelle exceptionnelle. Celles en contact avec les plus petis vaisseaux du cerveau, les péricytes du lit capillaire moyen sont connues pour être essentielles à l'homéostasie cérébrale, bien que leur capacité contractile ait longtemps été débattue. Cependant, nombre de leurs propriétés physiologiques, telles que leurs mécanismes de signalisation calcique, n'ont pas encore été élucidées. Cette thèse vise donc à identifier les mécanismes cellulaires de la signalisation calcique des péricytes des capillaires cérébraux. Dans le chapitre 2, nous utilisons la pharmacologie et l'imagerie des péricytes cérébraux exprimant l'indicateur de calcium GCaMP6f (provenant de souris transgéniques PDGFRβ-Cre::GCaMP6f) pour découvrir ces mécanismes. Contrairement aux péricytes engainants dont la signalisation du calcique dépend des canaux calcique voltage-dépendants, nous constatons que les signaux calcique des péricytes capillaire moyen sont indépendants des canaux calcique voltage-dépendants. Au contraire, nous constatons que les signaux calciques transitoires des pericytes du lit capillaire moyen sont inhibés par l'élimination du Ca2+ extracellulaire, l'inhibition des canaux Orai opérés par les réserves, le blocage du remplissage des réserves du réticulum endoplasmique, ainsi que l'inhibition des récepteurs de la ryanodine (RyRs) et des récepteurs de l'inositol trisphosphate (IP3Rs). Nous constatons également que l'entrée de Ca2+ opérée par les réserves peut être induite par la déplétion des réserves du réticulum endoplasmique et inhibée par les bloqueurs d'Orai dans les pericytes du lit capillaire moyen, et que l'influx basal de Ca2+ est largement dépendant de la déplétion des réserves. Enfin, nous montrons que l'entrée de Ca2+ opérée par les réserves d'Orai amplifie les élévations de Ca2+ cytosolique en réponse au vasoconstricteur endothéline-1. Nous concluons que la signalisation calcique dans les pericytes du lit capillaire moyen, qu'elle soit spontanée ou induite de façon agoniste, est régulée par le couplage entre la libération des réserves du réticulum endoplasmique et les voies d'influx opérées par les réserves. / Brain mural cells are a grouping of neurovascular cells that display exceptional molecular, morphological, and functional heterogeneity. Mid-capillary pericytes, the mural cells which contact the smallest vessels of the brain, are known to be critical to brain homeostasis, and their contractile ability has long been debated. However, many of their physiological properties, such as their Ca2+ signaling mechanisms, have not been elucidated. This thesis aims to uncover the cellular mechanisms of brain mid-capillary pericyte Ca2+ signaling. In chapter 2, we harness pharmacology and imaging of brain pericytes expressing the calcium indicator GCaMP6f (from transgenic PDGFRβ-Cre::GCaMP6f mice) to uncover these mechanisms. In contrast to ensheathing pericytes whose Ca2+ signaling is dependent on voltage-gated Ca2+ channels (VGCCs), we find that mid-capillary pericyte Ca2+ signals are independent of VGCCs. Instead, we find that mid-capillary pericyte Ca2+ transients are inhibited by removal of extracellular Ca2+, inhibition of store-operated Orai channels, blockade of endoplasmic reticulum store filling, as well as inhibition of ryanodine receptors (RyRs) and inositol triphosphate receptors (IP3Rs). We further find that store-operated Ca2+ entry can be induced by endoplasmic reticulum store depletion and inhibited by Orai blockers in mid-capillary pericytes, and that basal Ca2+ influx is largely dependent on store depletion. Finally, we show that Orai store-operated Ca2+ entry amplifies cytosolic Ca2+ elevations in response to the vasoconstrictor endothelin-1. We conclude that both spontaneous and Gq-coupled protein receptor agonist-induced Ca2+ signaling in mid-capillary pericytes is regulated by coupling between endoplasmic reticulum store release and store-operated influx pathways.

In dieser Arbeit wurden die von Seitz et al. entwickelten forced intercalation (FIT)-Sonden zur mRNA-Charakterisierung in lebenden Zellen eingesetzt. Es erfolgte die Synthese verbesserter FIT-Sonden für die systematische Untersuchung der Aufnahme durch lebende Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen. Dafür wurden sowohl hergestellte FIT-Sonden-Konjugate/Aggregate als auch kommerziell erhältliche Reagenzien, wie z.B. die Palmitinsäure und das porenbildende Enzym Streptolysin-O auf ihre Effizienz untersucht. Die optimalen Bedingungen für das Einbringen von DNA- und PNA-FIT-Sonden in Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen lieferte das Enzym Streptolysin-O. Durch den simultanen Einsatz von drei unterschiedlichen Sonden (BO-, TO- und CB-markiert), komplementär zu drei verschiedenen Zielsequenzen, gelang es erstmals eine Dreifarben-Lebendzell-Bildgebung mit FIT-Sonden durchzuführen. Des Weiteren wurden TO-FIT-Sonden zur Unterscheidung verschiedener T-Zelllinien eingesetzt. Mithilfe eines kompetitiven Hybridisierungsexperiments konnte die spezifische Fluoreszenzemission der Sonden in den Zellen belegt werden. Untersuchungen mit zwei T-Zelllinien zeigten, dass TO-FIT-Sonden sowie terminal Cy7-markierte TO-FIT-Sonden eine erhöhte TO-Emission bei Vorhandensein der komplementären TCR-mRNA-Zielsequenz in den Zellen aufwiesen. Der terminale Cy7-Farbstoff bot mit einem zweiten Detektionskanal die Möglichkeit die Cy7-Intensität und die vorhandene TO-Intensität ins Verhältnis zu setzen, sodass Signale von ungebundener Sonde leichter ausgeschlossen werden konnten. Dies ermöglichte eine spezifische Markierung der T-Zellen. Es folgte die Synthese CB-markierter FIT-Sonden zur Aufklärung biologischer Fragestellungen, wie dem Verlauf einer Influenza A Infektion und die Synthese und Evaluation neuer Farbstoffe mit einem Absorptionsmaximum bei 590/596 nm. Zudem wurde der Einbau eines zyklischen PNA- Monomers bezüglich der Verbesserung von Responsivität und Helligkeit von PNA-FIT-Sonden analysiert. / In this work forced Intercalation (FIT) probes, developed by Seitz et al. were used for the mRNA characterization in living cells. The synthesis of improved FIT probes as well as the systematic study on the uptake of FIT probes by living Flp-In™ 293 T-REx™ cells was performed. Therefore FIT probe conjugates/aggregates as well as commercially available reagents, e.g. palmitic acid and the pore-forming enzyme Streptolysin-O were investigated under various conditions. Furthermore, the transfection was tested using an electroporator. The optimal transfection condition for the introduction of DNA and PNA FIT probes into Flp-In™ 293 T-REx™ cells was achieved using Streptolysin-O. Multicolor live cell imaging with the simultaneous use of three different FIT probes (BO, TO and QB) against three different target sequences was performed successfully. In addition, FIT probes were used for the differentiation between T cell lines. A competitive hybridization experiment with cells confirmed the specific fluorescence emission of the probes. Further studies with two cell lines and TO-FIT probes as well as terminal Cy7-labeled TO-FIT probes showed an increased TO emission in the presence of the complementary TCR mRNA target sequence in the cells. A second detection channel of the terminal Cy7 dye provided the advantage of comparing the Cy7- and TO-intensity ratio, thereby making it easier to exclude signals from unbound probe. This enabled the specific tagging of t cells. This was followed by the synthesis of QB-DNA-based FIT probes for the use in various biological applications e.g. as a pan selective marker for Influenza A infection. Moreover, the synthesis and evaluation of new dyes with an absorption maximum at 590/596 nm was performed. The incorporation of a cyclic PNA monomer next to the TO dye has also been realized to improve responsiveness and brightness in PNA-FIT probes.

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<p dir="ltr">Live cell imaging is a method to optically investigate living cells using microscopy images. It plays an increasingly important role in biomedical research as well as drug development. In this thesis, we focus on label-free mammalian cell tracking and label-free abnormally shaped nuclei segmentation of microscopy images. We propose a method to use a precomputed velocity field to enhance cell tracking performance. Additionally, we propose an ensemble method, Weighted Mask Fusion (WMF), combining the results of multiple segmentation models with shape analysis, to improve the final nuclei segmentation mask. We also propose an edge-aware Mask RCNN and introduce a hybrid architecture, an ensemble of CNNs and Swin-Transformer Edge Mask R-CNNs (HER-CNN), to accurately segment irregularly shaped nuclei of microscopy images. Our experiments indicate that our proposed method outperforms other existing methods for cell tracking and abnormally shaped nuclei segmentation.</p><p dir="ltr">While image-based dietary assessment methods reduce the time and labor required for nutrient analysis, the major challenge with deep learning-based approaches is that the performance is heavily dependent on the quality of the datasets. Challenges with food data include suffering from high intra-class variance and class imbalance. In this thesis, we present an effective clustering-based training framework named ClusDiff for generating high-quality and representative food images. From experiments, we showcase our method’s effectiveness in enhancing food image generation. Additionally, we conduct a study on the utilization of synthetic food images to address the class imbalance issue in long-tailed food classification.</p>

Le virus de l'hépatite C (HCV) infecte environ 180 millions de personnes à travers le monde. De nouveaux antiviraux ont récemment été mis sur le marché mais ils présentent des effets indésirables. La recherche de nouvelles cibles thérapeutiques reste donc d'actualité. Mes principaux travaux ont consisté à développer des approches de biochimie et d'imagerie sur cellules vivantes pour étudier les mécanismes moléculaires d'action des antiviraux silibinine (SbN) et arbidol (ARB) sur HCV. Nous avons montré que SbN et ARB inhibent des vésicules entourées de clathrine et ne sont pas délivrés aux endosomes précoces. SbN et ARB inhibent également l'infection d'autres virus entrant par endocytose clathrine-dépendante, ce qui expliquerait leur activité à large spectre. J'ai également contribué à un projet initié depuis quelques mois au sein de l'équipe. L'hypothèse était qu'un élément présent dans le microenvironnement hépatique (MEH) jouerait un rôle essentiel dans l'infection par HCV. Nous nous sommes intéressés au syndécan-1 (SDC1) car il est fortement exprimé à la surface des hépatocytes. Nos travaux montrent que la déplétion de SDC1 diminue fortement l'infection. SDC1 colocalise à la surface des hépatocytes non infectés avec CD81, un récepteur connu de HCV. Dans les jours suivant l'infection, cette colocalisation est perturbée. Ces données suggèrent que SDC1 serait un co-facteur d'entrée de HCV, agissant en combinaison avec CD81, et que l'infection réorganiserait les molécules du MEH, ce qui pourrait à long terme contribuer à la persistance de l'infection / Hepatitis C virus (HCV) is a global health concern infecting 170 million people worldwide. New antivirals recently received the approval for the treatment against HCV infection but they display many side effects. Research for new therapeutic targets therefore remains an important topic. My main work was to develop approaches in biochemistry and live cell imaging to study the molecular mechanisms of action of antivirals silibinin (SbN) and arbidol (ARB) on HCV infection. We show that SbN and ARB alter clathrin-mediated endocytosis. Viral particles are trapped in clathrin-positive structures and cannot be delivered to the early endosomal compartment, thereby preventing infection. SbN and ARB also prevent cell infection by viruses that enter through clathrin-mediated endocytosis, which could explain their broad spectrum activity. I also contribute to a project initiated for a few months in the lab. We hypothsized that a molecule present in the immediate surrouding of the hepatocyte microenvironment could play a role in HCV infection. We focused on the syndecan-1 (SDC1) because it is essentially anchored on the surface of hepatocytes. We show that SDC1 depletion leads to a drastic decrease of the viral infectivity. SDC1 colocalizes on the unfected hepatocyte surface with the already identified HCV recptor CD81. This colocalization vanished within days in infected cells. These data suggest that SDC1 could act as a cellular co-factor for HCV entry, in combination with CD81; thus infection could reorganized molecules of the hepatocyte microenvironment and contribute to HCV hepatotropism and the peristence of infection

L'utilisation de champs électriques pulsés (PEF) dans les secteurs de la médecine et de la biotechnologie est devenue de plus en plus courante au cours des dernières décennies. La recherche a montré qu'en ajustant la durée du PEF, nous pouvons prédire quels effets seront observés. Alors que les PEF dans la gamme micro - milliseconde ont été utilisés pour perméabiliser la membrane cellulaire et améliorer l'absorption de médicament ou de protéine, le PEF nanoseconde (nsPEF) a démontré des effets uniques sur les organites intracellulaires. Les deux PEF et nsPEF ont démontré un potentiel thérapeutique pour une variété de pathologies humaines, y compris le traitement du cancer. Utilisant l'imagerie des cellules vivantes, cette thèse a étudié in vitro les effets de champs pulsés d'une durée de 10 ns à 10 ms sur des lignées cancéreuses (U87 glioblastome multiforme) et non cancéreuses (neurones hippocampes de souris (HT22) et cellules ovariennes du hamster chinois (CHO)). Des résultats publiés antérieurement ont démontré que les cellules cancéreuses sont plus sensibles aux champs électriques que les cellules saines. Nos résultats sont en accord avec ces résultats, dans la mesure où les cellules U87 ont subi une dépolarisation significativement plus importante de leur potentiel transmembranaire après une seule impulsion électrique à toutes les durées. Dans un ensemble d'expériences parallèles, malgré des seuils de champ électrique similaires pour la perméabilisation membranaire, les cellules U87 ont démontré une absorption significativement améliorée de YO-PRO par rapport aux autres lignées cellulaires. Bien que les cellules U87 aient subi le plus grand changement dans la dépolarisation membranaire et la perméabilisation membranaire, elles ont également montré la constante de rescellement de la membrane la plus rapide, qui était environ 30 secondes plus rapide que les autres lignées cellulaires. Pour élucider certains des mécanismes sous-jacents par lesquels les cellules U87 répondent aux champs électriques, une série d'expériences a examiné le rôle des canaux ioniques transmembranaires. Plusieurs études récentes ont rapporté que les PEF peuvent agir directement sur les canaux ioniques voltage-dépendants. En utilisant divers modulateurs de canaux ioniques pharmacologiques spécifiques et à action large, nous avons démontré que nous pouvions presque entièrement inhiber la dépolarisation membranaire induite par le champ électrique dans les cellules U87 en bloquant certains canaux cationiques. Ces résultats étaient assez spécifiques, tels que le canal de potassium de grande conductance (BK), les canaux calciques de type L et T, et le canal cationique non spécifique, TRPM8, étaient capables d'inhiber la dépolarisation tandis que le blocage d'autres canaux ioniques ne produisait aucun changement significatif. . Les travaux de cette thèse ont montré que la lignée cellulaire maligne U87 présentait une plus grande sensibilité aux champs électriques allant de 10 ns à 10 ms par rapport aux lignées cellulaires non cancéreuses étudiées. Des améliorations potentielles aux protocoles de traitement actuels ont été proposées sur la base des résultats présentés ici. / The use of pulsed electric fields (PEF) in medical and biotechnology sectors has become increasingly prevalent over the last few decades. Research has shown that by adjusting the duration of the PEF we can predict what effects will be observed. Whereas PEF in the micro-to-millisecond range have been used to permeabilize the cell membrane and enhance drug or protein uptake, nanosecond PEF (nsPEF) have demonstrated unique effects on intracellular organelles. Both PEF and nsPEF have demonstrated therapeutic potential for a variety of human pathologies, including the treatment of cancer. Using live-cell imaging, this thesis investigated, in vitro, the effects of pulsed fields ranging in duration from 10 ns to 10 ms on cancerous (U87 glioblastoma multiforme) and non-cancerous cell lines (mouse hippocampal neurons (HT22) and Chinese hamster ovary (CHO) cells). Previously published results have demonstrated that cancerous cells have a greater sensitivity to applied electric fields than healthy cells do. Our results are in agreement with these findings, insofar as the U87 cells underwent a significantly greater depolarization of their transmembrane potential following a single electric pulse at all durations. In a parallel set of experiments, despite having similar electric field thresholds for membrane permeabilization, the U87 cells demonstrated significantly enhanced YO-PRO uptake compared to the other cells lines. Although U87 cells underwent the greatest change in both membrane depolarization and membrane permeabilization, they also showed the fastest membrane resealing constant, which was approximately 30 seconds faster than other cell lines. To elucidate some of the underlying mechanisms by which U87 cells respond to electric fields, a series of experiments looked at the role of transmembrane ion channels. Several recent studies have reported that PEFs can act directly on voltage-gated ion channels. Using a variety of specific and broad acting pharmacological ion channel modulators, we demonstrated that we could almost entirely inhibit the electric field-induced membrane depolarization in U87 cells by blocking certain cationic channels. These results were quite specific, such that the big conductance potassium (BK) channel, L- and T-type calcium channels, and the non-specific cationic channel, TRPM8, were able to inhibit depolarization while blocking other ion channels produced no significant change. The work in this thesis showed that the malignant U87 cell line showed a greater sensitivity to electric fields from ranging from 10 ns – 10 ms when compared to the non-cancerous cell lines that were investigated. Potential improvements to current treatment protocols have been proposed based on the findings presented herein.