For the elucidation of the dynamics of signal transduction processes that are induced by cellular interactions, defined events along the signal transduction cascade and subsequent activation steps have to be analyzed and then also correlated with each other. This cannot be achieved by ensemble measurements because averaging biological data ignores the variability in timing and response patterns of individual cells and leads to highly blurred results. Instead, only a multi-parameter analysis at a single-cell level is able to exploit the information that is crucially needed for deducing the signaling pathways involved. The aim of this work was to develop a process line that allows the initiation of cell-cell or cell-particle interactions while at the same time the induced cellular reactions can be analyzed at various stages along the signal transduction cascade and correlated with each other. As this approach requires the gentle management of individually addressable cells, a dielectrophoresis (DEP)-based microfluidic system was employed that provides the manipulation of microscale objects with very high spatiotemporal precision and without the need of contacting the cell membrane. The system offers a high potential for automation and parallelization. This is essential for achieving a high level of robustness and reproducibility, which are key requirements in order to qualify this approach for a biomedical application. As an example process for intercellular communication, T cell activation has been chosen. The activation of the single T cells was triggered by contacting them individually with microbeads that were coated with antibodies directed against specific cell surface proteins, like the T cell receptor-associated kinase CD3 and the costimulatory molecule CD28 (CD; cluster of differentiation). The stimulation of the cells with the functionalized beads led to a rapid rise of their cytosolic Ca2+ concentration which was analyzed by a dual-wavelength ratiometric fluorescence measurement of the Ca2+-sensitive dye Fura-2. After Ca2+ imaging, the cells were isolated individually from the microfluidic system and cultivated further. Cell division and expression of the marker molecule CD69 as a late activation event of great significance were analyzed the following day and correlated with the previously recorded Ca2+ traces for each individual cell. It turned out such that the temporal profile of the Ca2+ traces between both activated and non-activated cells as well as dividing and non-dividing cells differed significantly. This shows that the pattern of Ca2+ signals in T cells can provide early information about a later reaction of the cell. As isolated cells are highly delicate objects, a precondition for these experiments was the successful adaptation of the system to maintain the vitality of single cells during and after manipulation. In this context, the influences of the microfluidic environment as well as the applied electric fields on the vitality of the cells and the cytosolic Ca2+ concentration as crucially important physiological parameters were thoroughly investigated. While a short-term DEP manipulation did not affect the vitality of the cells, they showed irregular Ca2+ transients upon exposure to the DEP field only. The rate and the strength of these Ca2+ signals depended on exposure time, electric field strength and field frequency. By minimizing their occurrence rate, experimental conditions were identified that caused the least interference with the physiology of the cell. The possibility to precisely control the exact time point of stimulus application, to simultaneously analyze short-term reactions and to correlate them with later events of the signal transduction cascade on the level of individual cells makes this approach unique among previously described applications and offers new possibilities to unravel the mechanisms underlying intercellular communication. / Zelluläre Interaktionen sind wirkungsvolle Mechanismen zur Kontrolle zellulärer Zustände in vivo. Für die Entschlüsselung der dabei beteiligten Signaltransduktionsprozesse müssen definierte Ereignisse entlang der zellulären Signalkaskade erfasst und ihre wechselseitige Beziehung zueinander aufgeklärt werden. Dies kann von Ensemble-Messungen nicht geleistet werden, da die Mittelung biologischer Daten die Variabilität des Antwortverhaltens individueller Zellen missachtet und verschwommene Resultate liefert. Nur eine Multiparameteranalyse auf Einzelzellebene kann die entscheidenden Informationen liefern, die für ein detailliertes Verständnis zellulärer Signalwege unabdingbar sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Methode, welche die gezielte Kontaktierung einzelner Zellen mit anderen Zellen oder Partikeln ermöglicht und mit der die dadurch ausgelösten zellulären Reaktionen auf unterschiedlichen zeitlichen Ebenen analysiert und miteinander korreliert werden können. Da dies die schonende Handhabung einzeln adressierbarer Zellen erfordert, wurde ein auf Dielektrophorese (DEP) basierendes mikrofluidisches System eingesetzt, welches die berührungslose Manipulation mikroskaliger Objekte mit hoher zeitlicher und örtlicher Präzision erlaubt. Das System besitzt ein hohes Potential zur Automatisierung und Parallelisierung, was für eine robuste und reproduzierbare Analyse lebender Zellen essentiell, und daher eine wichtige Voraussetzung für eine Anwendung in der Biomedizin ist. Als Modellsystem für interzelluläre Kommunikation wurde die T-Zell-Aktivierung gewählt. Die Aktivierung der einzelnen T-Zellen wurde durch ihre gezielte Kontaktierung mit Mikropartikeln („beads“) induziert, welche mit Antikörpern gegen spezielle Oberflächenproteine, wie die dem T-Zell-Rezeptor assoziierte Kinase CD3 oder das kostimulatorische Protein CD28, beschichtet waren. Die Stimulation der Zellen mit den funktionalisierten beads führte zu einem raschen Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration, welche über eine ratiometrische Detektion des Ca2+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffs Fura-2 gemessen wurde. Anschließend wurden die einzelnen Zellen aus dem mikrofluidischen System isoliert und weiterkultiviert. Am nächsten Tag wurden Zellteilung und die CD69-Expression – ein wichtiger Marker für aktivierte T-Zellen – analysiert und auf Ebene der individuellen Zelle mit dem zuvor gemessenen Ca2+-Signal korreliert. Es stellte sich heraus, dass der zeitliche Verlauf des intrazellulären Ca2+-Signals zwischen aktivierten und nicht aktivierten, sowie zwischen geteilten und nicht geteilten Zellen signifikant verschieden war. Dies zeigt, dass Ca2+-Signale in stimulierten T-Zellen wichtige Informationen über eine spätere Reaktion der Zelle liefern können. Da Einzelzellen äußerst empfindlich auf ihre Umgebungsbedingungen reagieren, war die Anpassung der experimentellen Vorgehensweise im Hinblick auf die Zellverträglichkeit von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund wurde der Einfluss sowohl der mikrofluidischen Umgebung, als auch der elektrischen Felder auf die Überlebensrate und die intrazelluläre Ca2+-Konzentration der Zellen untersucht. Während eine kurzzeitige DEP-Manipulation im mikrofluidischen System die Vitalität der Zellen nicht beeinträchtigte, zeigten diese unregelmäßige Fluktuationen ihrer intrazellulären Ca2+-Konzentration selbst bei geringer elektrischer Feldexposition. Die Ausprägung dieser Fluktuationen war abhängig von der Expositionszeit, der elektrischen Feldstärke und der Feldfrequenz. Über die Minimierung ihres Auftretens konnten experimentelle Bedingungen mit dem geringsten Einfluss auf die Physiologie der Zellen identifiziert werden. Die Möglichkeit, einzelne Zellen zeitlich definiert und präzise mit anderen Zellen oder Oberflächen zu kontaktieren, die unmittelbare Reaktion der Zellen zu messen und diese mit späteren Ereignissen der Zellantwort zu korrelieren, macht die hier vorgestellte Methode einzigartig im Vergleich mit anderen Ansätzen und eröffnet neue Wege, die der interzellulären Kommunikation zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären.

Unter geeigneten Wachstumsbedingungen weisen Algenkulturen oft eine größere Produktivität der Zellen auf, als sie bei höheren Pflanzen zu beobachten ist. Chlamydomonas reinhardtii-Zellen sind vergleichsweise klein. So beträgt das Zellvolumen während des vegetativen Zellzyklus etwa 50–3500 µm³. Im Vergleich zu höheren Pflanzen ist in einer Algensuspension die Konzentration der Biomasse allerdings gering. So enthält beispielsweise 1 ml einer üblichen Konzentration zwischen 10E6 und 10E7 Algenzellen. Quantifizierungen von Metaboliten oder Makromolekülen, die zur Modellierung von zellulären Prozessen genutzt werden, werden meist im Zellensemble vorgenommen. Tatsächlich unterliegt jedoch jede Algenzelle einer individuellen Entwicklung, die die Identifizierung charakteristischer allgemeingültiger Systemparameter erschwert. Ziel dieser Arbeit war es, biochemisch relevante Messgrößen in-vivo und in-vitro mit Hilfe optischer Verfahren zu identifizieren und zu quantifizieren. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Puls-Amplituden-Modulation(PAM)-Fluorimetriemessplatz zur Messung der durch äußere Einflüsse bedingten veränderlichen Chlorophyllfluoreszenz an einzelnen Zellen vorgestellt. Die Verwendung eines kommerziellen Mikroskops, die Implementierung empfindlicher Nachweiselektronik und einer geeignete Immobilisierungsmethode ermöglichten es, ein Signal-zu-Rauschverhältnis zu erreichen, mit dem Fluoreszenzsignale einzelner lebender Chlamydomonas-Zellen gemessen werden konnten. Insbesondere wurden das Zellvolumen und der als Maß für die Effizienz des Photosyntheseapparats bzw. die Zellfitness geltende Chlorophyllfluoreszenzparameter Fv/Fm ermittelt und ein hohes Maß an Heterogenität dieser zellulären Parameter in verschiedenen Entwicklungsstadien der synchronisierten Chlamydomonas-Zellen festgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die bildgebende Laser-Scanning-Mikroskopie und anschließende Bilddatenanalyse zur quantitativen Erfassung der wachstumsabhängigen zellulären Parameter angewandt. Ein kommerzielles konfokales Mikroskop wurde um die Möglichkeit der nichtlinearen Mikroskopie erweitert. Diese hat den Vorteil einer lokalisierten Anregung, damit verbunden einer höheren Ortsauflösung und insgesamt geringeren Probenbelastung. Weiterhin besteht neben der Signalgewinnung durch Fluoreszenzanregung die Möglichkeit der Erzeugung der Zweiten Harmonischen (SHG) an biophotonischen Strukturen, wie der zellulären Stärke. Anhand der Verteilungsfunktionen war es möglich mit Hilfe von modelltheoretischen Ansätzen zelluläre Parameter zu ermitteln, die messtechnisch nicht unmittelbar zugänglich sind. Die morphologischen Informationen der Bilddaten ermöglichten die Bestimmung der Zellvolumina und die Volumina subzellularer Strukturen, wie Nuclei, extranucleäre DNA oder Stärkegranula. Weiterhin konnte die Anzahl subzellulärer Strukturen innerhalb einer Zelle bzw. eines Zellverbunds ermittelt werden. Die Analyse der in den Bilddaten enthaltenen Signalintensitäten war Grundlage einer relativen Konzentrationsbestimmung von zellulären Komponenten, wie DNA bzw. Stärke. Mit dem hier vorgestellten Verfahren der nichtlinearen Mikroskopie und nachfolgender Bilddatenanalyse konnte erstmalig die Verteilung des zellulären Stärkegehalts in einer Chlamydomonas-Population während des Wachstums bzw. nach induziertem Stärkeabbau verfolgt werden. Im weiteren Verlauf wurde diese Methode auch auf Gefrierschnitte höherer Pflanzen, wie Arabidopsis thaliana, angewendet. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass viele zelluläre Parameter, wie das Volumen, der zelluläre DNA- und Stärkegehalt bzw. die Anzahl der Stärkegranula durch eine Lognormalverteilung, mit wachstumsabhängiger Parametrisierung, beschrieben werden. Zelluläre Parameter, wie Stoffkonzentration und zelluläres Volumen, zeigen keine signifikanten Korrelationen zueinander, woraus geschlussfolgert werden muss, dass es ein hohes Maß an Heterogenität der zellulären Parameter innerhalb der synchronisierten Chlamydomonas-Populationen gibt. Diese Aussage gilt sowohl für die als homogenste Form geltenden Synchronkulturen von Chlamydomonas reinhardtii als auch für die gemessenen zellulären Parameter im intakten Zellverbund höherer Pflanzen. Dieses Ergebnis ist insbesondere für modelltheoretische Betrachtungen von Relevanz, die sich auf empirische Daten bzw. zelluläre Parameter stützen welche im Zellensemble gemessen wurden und somit nicht notwendigerweise den zellulären Status einer einzelnen Zelle repräsentieren. / Under appropriate growth conditions cells of algae cultures often show a greater productivity than it is observed for cells in higher plants. The cells of Chlamydomonas reinhardtii are relatively small. The cell volume during the vegetative cell cycle ranges only between 50-3500 µm³. Compared to higher plants the concentration of biomass in an algal suspension is small. Thus, 1 ml of a suspension with a standard concentration contains between 10E6 and 10E7 algal cells. Quantification of metabolites or macromolecules, which are used for modeling of cellular processes, is usually carried out in the cell ensemble. However, every single algal cell undergoes an individual development, which makes the identification of characteristic universal system parameters far more complicated. The aim of this work was to identify and quantify relevant biochemical parameters, which were measured in vivo and in vitro using optical methods. In the first part, a Pulse Amplitude Modulation (PAM) measuring station was introduced to measure the variable chlorophyll fluorescence of individual cells. A commercial microscope was combined with sensitive detection electronics and the application of suitable immobilization methods. This allowed the achievement of a signal-to-noise ratio which made it possible to measure the fluorescence signals of individual living Chlamydomonas cells. In particular, cell volume and the chlorophyll fluorescence parameter Fv/Fm as a measure of the photosynthetic apparatus efficiency and cell fitness were determined. A high degree of cellular heterogeneity of these parameters in different development stages of synchronized Chlamydomonas cells was determined. In the second part, the imaging laser scanning microscopy and subsequent image analysis for quantitative detection of the growth-dependent cellular parameters were applied. A commercial confocal microscope was extended by the possibility of non-linear microscopy. Hereby, a more localized excitation of the samples was possible. Hence, a higher spatial resolution and lower overall sample stressing were achieved. Besides signal generation through fluorescence excitation, second harmonic generation (SHG) on biophotonic structures, such as cellular starch, was applied. Based on distribution functions cellular parameters were determined by using theoretical model approaches. This allowed the characterization of parameters that were not directly accessible by measurement. The morphological information of the image data enabled the determination of cell volume and volumes of sub-cellular structures such as nuclei, extra-nuclear DNA, and starch granules. Furthermore, the number of sub-cellular structures within a cell or a cell compound was determined. Analysis of signal intensities constituted the basis of relative quantification of cellular components such as DNA and starch. For the first time, the method of non-linear microscopy and subsequent image analysis enabled the characterization of the cellular starch distribution of a Chlamydomonas population during cell growth, and after induced starch degradation, respectively. Subsequently, this method was additionally applied to frozen sections of higher plants like Arabidopsis thaliana. As a result it was shown that many cellular parameters like volume, cellular DNA content, and number of starch granules are described by means of a log-normal distribution with growth-related parameterization. Cellular parameters, such as concentration and cellular volume, showed no significant correlations among each other. Therefore, it was concluded that there is a high degree of cellular parameter heterogeneity within synchronized Chlamydomonas populations. This applies not only to synchronized cultures of Chlamydomonas reinhardtii, which are currently considered as the most homogeneous form, but also to measured cellular parameters of intact cell assemblies in higher plants. The result is especially important for model-theoretic considerations, which are based on empirical data, and cellular parameters obtained from cell ensembles, respectively.

During vertebrate development, gastrulation leads to the formation of three distinct germlayers. In zebrafish a central process is the delamination and the ingression of single cells from a common ancestor tissue - that will lead to the formation of the germlayers. Several molecules have been identified to regulate this process but the precise cellular mechanisms are poorly understood. Differential adhesiveness, a concept first introduced by Steinberg over 40 years ago, has been proposed to represent a key phenomena by which single hypoblast cells separate from the epiblast to form the mesendoderm at later stages. In this work it is shown that differential adhesion among the germlayer progenitor cells alone cannot predict germlayer formation. It is a combination of several mechanical properties such as cell cortex tension, cell adhesion and membrane mechanical properties that influence the migratory behavior of the constituent cells.

The goal of my research was to obtain a quantitative understanding of the mechanisms of DNA double-strand break (DSB) repair, and the activation of the tumor suppressor p53 in response to DSBs in human cells. In Chapter 2, we investigated how the kinetics of repair, and the balance between the alternate DSB repair pathways, nonhomologous end-joining (NHEJ) and homologous recombination (HR), change with cell cycle progression. We developed fluorescent reporters to quantify DSBs, HR and cell cycle phase in individual, living cells. We show that the rates of DSB repair depend on the cell cycle stage at the time of damage. We find that NHEJ is the dominant repair mechanism in G1 and in G2 cells even in the presence of a functional HR pathway. S and G2 cells use both NHEJ and HR, and higher use of HR strongly correlates with slower repair. Further, we demonstrate that the balance between NHEJ and HR changes gradually with cell cycle progression, with a maximal use of HR at the peak of active replication in mid-S. Our results establish that the presence of a sister chromatid does not affect the use of HR in human cells. Chapter 3 examines the sensitivity of the p53 pathway to DNA DSBs. We combined our fluorescent reporter for DSBs with a fluorescent reporter for p53, to quantify the level of damage and p53 activation in single cells. We find that the probability of inducing a p53 pulse increases linearly with the amount of damage. However, cancer cells do not have a distinct threshold of DSBs above which they uniformly induce p53 accumulation. We demonstrate that the decision to activate p53 is potentially controlled by cell-specific factors. Finally, we establish that the rates of DSB repair do not affect the decision to activate p53 or the dynamical properties of the p53 pulse. Collectively, this work emphasizes the importance of collecting quantitative dynamic information in single cells in order to gain a comprehensive understanding of how different DNA damage response pathways function in a coordinated manner to maintain genomic integrity.

<p>Control of E2F transcription factor activity, regulated by the action of the retinoblastoma tumor suppressor, is critical for determining cell cycle entry and cell proliferation. However, an understanding of the precise determinants of this control, including the role of other cell cycle regulatory activities, has not been clearly defined. </p><p>Recognizing that the contributions of individual regulatory components could be masked by heterogeneity in populations of cells, we made use of an integrated system to follow E2F transcriptional dynamics at the single cell level and in real time. We measured and characterized E2F temporal dynamics in the first cell cycle where cells enter the cell cycle after a period of quiescence. Quantitative analyses revealed that crossing a threshold of amplitude of E2F transcriptional activity serves as the critical determinant of cell-cycle commitment and division. </p><p>By using a developed ordinary differential equation model for Rb/E2F network, we performed simulations and predicted that Myc and cyclin D/E activities have distinct roles in modulating E2F transcriptional dynamics. Myc is critical in modulating the amplitude whereas cyclin D/E activities have little effect on the amplitude but do contribute to the modulation of duration of E2F transcriptional activation. These predictions were validated through the analysis of E2F dynamics in single cells under the conditions that cyclin D/E or Myc activities are perturbed by small molecule inhibitors or RNA interference. </p><p>In an ongoing study, we also measured E2F dynamics in cycling cells. We provide preliminary results showing robust oscillatory E2F expression at the single-cell level that aligns with the progression of continuous cell division. The temporal characteristics of the dynamics trajectories deserve further quantitative investigations.</p><p>Taken together, our results establish a strict relationship between E2F dynamics and cell fate decision at the single-cell level, providing a refined model for understanding the control logic of cell cycle entry.</p> / Dissertation

Stem and progenitor cell fate (self-renewal, proliferation, survival, differentiation) is tightly controlled by niche factors and the interplay of these factors is particularly important to comprehend for the development of stem cell therapies. During erythropoiesis, erythroid progenitors at the colony forming unit-erythroid (CFU-E) stage are responsive to both stem cell factor (SCF) and erythropoietin (EPO); however, the joint action of SCF and EPO in these cells and the underlying mechanisms remain to be defined. In this study, quantitative data on the activation of signaling pathways and gene expression profiles provided definitive evidence for two parallel but complementary mechanisms that resulted in enhanced generation of red blood cells from mouse bone marrow-derived CFU-E culture in the presence of SCF and EPO. First, SCF and EPO signaling intersected within the extracellular signal-regulated kinase (ERK) pathway and the sustained ERK activation was required for the maximal changes in the expression levels of genes that are involved in the proliferation and survival of CFU-Es. Second, the apparent competition between SCF and EPO in regulating c-Kit expression was found to have a dramatic impact on the terminal differentiation of CFU-Es. The latter mechanism was, for the first time, reported in a primary cell system. In addition, a fetal liver-derived conditioned medium further enhanced the survival and proliferation of bone marrow CFU-Es in the presence of SCF and EPO by not only increasing the ERK signaling duration but also, the amplitude. The agents present in the conditioned media possess significant clinical potential to stimulate erythropoiesis both in vivo and in vitro. In conclusion, our study has provided novel insights into the mechanisms by which combinations of niche factors control the fate of erythroid progenitors at a unique transitional stage and highlighted the important role of the ERK signaling dynamics in adult erythropoiesis.

Stem and progenitor cell fate (self-renewal, proliferation, survival, differentiation) is tightly controlled by niche factors and the interplay of these factors is particularly important to comprehend for the development of stem cell therapies. During erythropoiesis, erythroid progenitors at the colony forming unit-erythroid (CFU-E) stage are responsive to both stem cell factor (SCF) and erythropoietin (EPO); however, the joint action of SCF and EPO in these cells and the underlying mechanisms remain to be defined. In this study, quantitative data on the activation of signaling pathways and gene expression profiles provided definitive evidence for two parallel but complementary mechanisms that resulted in enhanced generation of red blood cells from mouse bone marrow-derived CFU-E culture in the presence of SCF and EPO. First, SCF and EPO signaling intersected within the extracellular signal-regulated kinase (ERK) pathway and the sustained ERK activation was required for the maximal changes in the expression levels of genes that are involved in the proliferation and survival of CFU-Es. Second, the apparent competition between SCF and EPO in regulating c-Kit expression was found to have a dramatic impact on the terminal differentiation of CFU-Es. The latter mechanism was, for the first time, reported in a primary cell system. In addition, a fetal liver-derived conditioned medium further enhanced the survival and proliferation of bone marrow CFU-Es in the presence of SCF and EPO by not only increasing the ERK signaling duration but also, the amplitude. The agents present in the conditioned media possess significant clinical potential to stimulate erythropoiesis both in vivo and in vitro. In conclusion, our study has provided novel insights into the mechanisms by which combinations of niche factors control the fate of erythroid progenitors at a unique transitional stage and highlighted the important role of the ERK signaling dynamics in adult erythropoiesis.

The local microenvironment of hematopoietic stem cells (HSCs) in the bone marrow -referred to as stem cell niche- is thought to regulate the balance of stem cell maintenance and differentiation by a complex interplay of extrinsic signals including spatial constraints, extracellular matrix (ECM) components and cell-cell interactions. To dissect the role of niche ECM components, a set of well-defined matrix biomolecular coatings including fibronectin, laminin, collagen IV, tropocollagen I, heparin, heparan sulphate, hyaluronic acid and co-fibrils of collagen I with heparin or hyaluronic acid were prepared and analyzed with respect to adhesive interactions of human CD133+ HSCs in vitro. ECM molecule dependent adhesion areas as well as fractions of adherent HSCs were assessed by reflection interference contrast microscopy and differential interference contrast microscopy. HSCs, so far mostly classified as suspension cells, exhibited intense adhesive interactions with fibronectin, laminin, collagen IV, heparin, heparan sulphate, and collagen I based co-fibrils. An integrin mediated adhesion on fibronectin and a L-selectin mediated adhesion on heparin pointed to specific interactions based on different adhesion mechanisms. As a consequence of HSC adhesion to molecules of the vascular and the endosteal regions, both regions were confirmed as possible stem cell niches and adhesive signals were suggested as potential regulators of stem cell fate. Furthermore, the impact of a spatially organized ECM on the HSC behavior was analyzed by single cell tracking. These studies required the development of engineered three-dimensional, ECM coated microcavities with the option for single cell tracking. A semi-automated cell-tracking tool was established to accelerate data access from time-lapse image sequences. From this analysis it was possible to reveal the genealogy, localization, morphology and migration of single HSCs over a time period of 4 days. A decreased cycling frequency was observed depending on the HSC localization in the spatially constraining microcavities. Besides the revealed impact of spatial constraints on HSC fate, the newly engineered ECM-coated microcavity setup and the semi-automated cell tracking tool provide new options to study the cell fate in engineered microenvironments at single cell level for other cell types ex vivo. / Die lokale Mikroumgebung von Blutstammzellen (BSZ) im Knochenmark, bezeichnet als Stammzellnische, reguliert das Gleichgewicht von Stammzellerhaltung und -differenzierung durch ein komplexes Zusammenspiel von extrinsischen Signalen wie räumliche Beschränkungen, Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM) und Zell-Zell Wechselwirkungen. Um die Rolle der EZM-Komponenten zu analysieren, wurden definierte Beschichtungen von Fibronektin, Laminin, Kollagen IV, monomerem Kollagen I, Heparin, Heparan Sulphat, Hyaluronsäure und Co-Fibrillen aus Kollagen I und Heparin oder Hyaluronsäure hergestellt und in vitro bezüglich der adhäsiven Wechselwirkungen von humanen CD133+ BSZ untersucht. Die Adhäsionsflächen und der Anteil adhärenter Zellen wurden in Abhängigkeit von der EZM-Beschichtung mittels Reflexions- Interferenz-Kontrast-Mikroskopie und Differentieller Interferenz Kontrast Mikroskopie bestimmt. BSZ, bisher als Suspensionszellen definiert, zeigten intensive adhäsive Wechselwirkungen mit Fibronektin, Laminin, Kollagen IV, Heparin, Heparan Sulphat und den Co-Fibrillen. Eine Integrin abhängige Adhäsion auf Fibronektin und eine L-Selektin abhängige Adhäsion auf Heparin, wiesen auf spezifische Wechselwirkungen hin, die auf unterschiedlichen Mechanismen basieren. Aufgrund der Adhäsion von BSZ sowohl zu Molekülen der vaskulären als auch der endostealen Knochenmarkregion, wurden beide Bereiche als mögliche Stammzellnische bestätigt. Adhäsive Signale sind potentielle Regulatoren der Stammzellentwicklung. Im Weiteren wurde der Einfluss einer räumlich beschränkenden EZM auf das Verhalten der BSZ durch Einzelzellverfolgung untersucht. Diese Studien erforderten die Entwicklung von dreidimensionalen EZM-beschichteten Mikrokavitäten, die das Verfolgen einzelner Zellen ermöglichten. Es wurde ein halbautomatischer Algorithmus für die Zellverfolgung etabliert, um die Datengenerierung von den Zeitreihenaufnahmen zu beschleunigen. Die Analysen ermöglichten Aussagen über die Genealogie, Lokalisierung, Morphologie und Migration einzelner BSZ während einer Analysenzeit von 4 Tagen. Eine verringerte Zellteilungsaktivität wurde in Abhängigkeit von der BSZ Lokalisierung innerhalb der räumlich einschränkenden Mikrokavitäten festgestellt. Neben diesen Erkenntnissen bieten die entwickelten Mikrokavitäten und die etablierte Einzelzellverfolgung neue Möglichkeiten auch andere Zelltypen auf Einzelzellniveau ex vivo zu untersuchen.

Powerful tools for detailed cellular studies are emerging, increasing the knowledge ofthe ultimate target of all drugs: the living cell. Today, cells are commonly analyzed inensembles, i.e. thousands of cells per sample, yielding results on the average responseof the cells. However, cellular heterogeneity implies the importance of studying howindividual cells respond, one by one, in order to learn more about drug targeting andcellular behavior. In vitro assays offering low volume sampling and rapid analysis in ahigh-throughput manner are of great interest in a wide range of single-cellapplications. This work presents a microwell device in silicon and glass, developed using standardmicrofabrication techniques. The chip was designed to allow flow-cytometric cellsorting, a controlled way of analyzing and sorting individual cells for dynamic cultureand clone formation, previously shown in larger multiwell plates only. Dependent onthe application, minor modifications to the original device were made resulting in agroup of microwell devices suitable for various applications. Leukemic cancer cellswere analyzed with regard to their clonogenic properties and a method forinvestigation of drug response of critical importance to predict long-term clinicaloutcome, is presented. Stem cells from human and mouse were maintainedpluripotent in a screening assay, also shown useful in studies on neural differentiation.For integrated liquid handling, a fluidic system was integrated onto the chip fordirected and controlled addition of reagents in various cell-based assays. The chip wasproduced in a slide format and used as an imaging tool for low-volume sampling withthe ability to run many samples in parallel, demonstrated in a protein-binding assay fora novel bispecific affinity protein. Moving from cells and proteins into geneticanalysis, a method for screening genes from clones in a rapid manner was shown bygene amplification and mutation analysis in individual wells. In summary, a microwelldevice with associated methods were developed and applied in a range of biologicalinvestigations, particularly interesting from a cell-heterogeneity perspective. / QC 20100728

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται το πρόβλημα του διαμοιρασμού των διαθέσιμων πόρων ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνίας στους χρήστες μέσα στην περιοχή μιας κυψέλης. Γίνεται η υπόθεση ότι το ασύρματο σύστημα κάνει χρήση της τεχνικής πολλαπλής πρόσβασης (multiple–access technique) OFDMA, δηλαδή ότι χρησιμοποιεί έναν αριθμό ορθογώνιων υποφορέων τον οποίο αναθέτει στους χρήστες για τη μετάδοση της πληροφορίας. Η μελέτη εστιάζεται στην κάτω ζεύξη (downlink) του συστήματος OFDMA, δηλαδή στη μετάδοση δεδομένων από το σταθμός βάσης της κυψέλης στους χρήστες – δέκτες. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Θεωρούμε ότι ο σταθμός βάσης έχει στη διάθεσή του τέλεια γνώση του καναλιού που τον συνδέει με κάθε χρήστη (channel state information – CSI) μέσω καναλιών ανάδρασης. Η πληροφορία κατάστασης του καναλιού χρησιμοποιείται από τον σταθμό βάσης για την κατανομή των πόρων προς τους χρήστες με δυναμικό τρόπο με χρήση κατάλληλων αλγορίθμων. Εναλλακτικά, εάν ο πομπός δε διαθέτει αξιόπιστη πληροφορία σχετικά με την κατάσταση του καναλιού ή για απλοποίηση του σχεδιασμού η ανάθεση των πόρων μπορεί να πραγματοποιηθεί στατικά, δηλαδή γίνεται μόνιμη ανάθεση ενός συνόλου υποφορέων ανά χρήστη δίχως να λαμβάνεται υπόψη η CSI. Η ισχύς μπορεί να κατανεμηθεί στους υποφορείς είτε ισόποσα ή, βάσει της CSI, με χρήση του αλγορίθμου water–filling. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται διαφορετικά σενάρια κατανομής των πόρων που περιλαμβάνουν αλγορίθμους για την ανάθεση των υποφορέων και το διαμοιρασμό των κατάλληλων ποσοτήτων ισχύος στους υποφορείς. Ανάλογα με το στόχο και τις ανάγκες των χρηστών του συστήματος, καθώς και με το ποσό της διαθέσιμης πληροφορίας καναλιού στο σταθμό βάσης, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αλγόριθμοι. Συγκεκριμένα, ο αλγόριθμος Maximum Sum Rate (MSR) επιδιώκει τη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης του συστήματος χωρίς, όμως, να ενδιαφέρεται για την πιθανότητα κάποιοι από τους χρήστες να υποεξηπηρετούνται. Αντιθέτως, ο αλγόριθμος μέγιστης δικαιοσύνης ή αλγόριθμος max–min (ΜΜ) έχει ως κύριο μέλημά του την όσο το δυνατόν καλύτερη εξυπηρέτηση όλων των πελατών στο σύστημα. Τέλος, οι στατικές στρατηγικές ανάθεσης, αν και υποδεέστερες όσον αφορά την επίδοση, είναι πιο απλές στην υλοποίησή τους και μπορούν να εφαρμοστούν σε περιπτώσεις όπου η CSI δεν είναι διαθέσιμη ή δεν είναι επαρκώς αξιόπιστη. / In this diploma thesis, the downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The multiple–access technique that is used in this system is OFDMA and the objective is the allocation of the resources among users that access the system. The available resources to be distributed among the users of the OFDMA system comprise the subcarriers over which the signals of the users are transmitted and the available power that is allocated among subcarriers. It is assumed that users estimate and feedback perfectly the channel state information (CSI) to the base station of the cell, where subcarrier and power allocation are determined according to the CSI of the users and the resource–allocation algorithm. Subcarrier assignment to each user can be implemented in a static or a dynamic fashion. When static subcarrier allocation is employed, the CSI is not taken into account, and a fixed set of subcarriers is assigned to each user. On the other hand, dynamic allocation uses CSI and results in improved achievable rates compared to static allocation. Regarding transmit power adaptation, it can be allocated to subcarriers either equally or, provided that the CSI is perfectly known to the transmitter (the base station), using the water–filling procedure. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective. For instance, the objective of the Maximum Sum Ratio (MSR) algorithm is to maximize the sum rate of all users on the system with no regard to underserved users. On the contrary, the Max–Min (MM) algorithm, also known as Maximum Fairness Algorithm, has a different philosophy. Specifically, the objective of MM is the better service of the underserved users allocating an amount of resources to them to provide the maximum possible fairness to all users. Despite the total sum rate penalty it experiences, the MM algorithm leads to improved fairness compared to MSR. Finally, although inferior to their dynamic counterparts, static resource allocation strategies are easier to implement and can be employed even in the absence of CSI.