Several cell types are found in organisms. Each type displays specific characteristics such as morphology, proliferation rate, genetic expression, mechanical properties, etc. Many investigations have been performed to study the effect of chemical cues on these cell properties. This is in contrast to the present work, which investigates the effect of mechanical properties of the global or local surroundings. Here, we have studied the effect of the matrix stiffness on the mechanical properties of airway smooth muscle cells using Atomic Force Microscopy (AFM). Our results show that the elastic modulus (G') of these cells increases to 820 ± 360 Pa when cultured on stiff gels when compared to the elastic modulus of 340 ± 160 Pa for cells cultured on soft polyacrylamide gels. We notice no significant difference in elastic modulus for cells plated on a glass substrate when compared to the stiffer gels. There is no evident effect of substrate stiffness on the loss modulus. The variability of the measured elastic modulus is attributed to cellular variability. This variability is smaller for cells cultured on the soft gel. When the cell cultures were labeled with Red-phalloidin, we observed an increase in the organization of the actin fibers at the cell cortex for stiffer substrates. We thus hypothesize that the increase in cellular stiffness is the consequence of the actin organization beneath the cell membrane.Proliferation rate was significantly diminished when the cells were cultured on the softer polyacrylamide gels. Matrix stiffness also had an effect on genetic expression as demonstrated by gene arrays. We observed a significant difference of genetic expression when cells were cultured on a glass substrate. All these results indicate that smooth muscle cells respond structurally and genetrically to the mechanical properties of the environment.Neurons are mechanically much more fragile and responsive than smooth muscle cells. We locally changed the mechano-chemical environment of axons and observed that this was sufficient to induce major structural changes such as synapse formation and even the extraction of proteins containing membrane strings. We developed a new approach to induce and study the creation of presynaptic site formation in axons through a combination of local modification to the mechano-chemical environment using a combination of AFM and fluorescence microscopy. First, we use a poly-D-lysine coated bead attached to an AFM tip to induce a synapse. We used transfection techniques and fluorescence microscopy to study the recruitment of two synaptic proteins, bassoon and synaptophysin, and measure their absolute arrival times to the presynaptic site. We find that bassoon arrives after 23 ± 10 minutes and that synaptophysin arrives after 43 ± 9 minutes. Finally, we observed the formation of long (several 10s of μm) membrane strings as the AFM tip was withdrawn from the axon. These membrane strings seemed functionally intact. It is conceivable that these strings might be a mechanism by which new neurites and branch points along existing neurites can be generated in situ. / Plusieurs types de cellules se retrouvent dans les organismes. Chaque type présente des caractéristiques spécifiques telles que la morphologie, le taux de prolifération, l'expression génétique, les propriétés mécaniques, etc. De nombreuses enquêtes ont été réalisées afin d'étudier l'effet des signaux chimiques dans la cellule. Ceci contraste avec les travaux actuels qui étudie l'effet des propriétés mécaniques sur l'environnement global et local. Ici, nous avons étudié l'influence de la rigidité du substrat sur les propriétés mécaniques et l'expression génétique des cellules musculaires lisses des voies aériennes. Nos résultats démontrent que le module d'élasticité (G') des cellules augmente à 820 ± 360 Pa lorsqu'elles sont cultivées sur les gels rigides par rapport à 340 ± 160 Pa aux cellules cultivées sur les gels polyacrylamides doux. Nous n'avons pas remarqué de différence significative dans le module d'élasticité pour les cellules étalées sur un substrat de verre en comparaison aux gels rigides. L'effet de rigidité sur le module de perte n'est donc pas observé. La variabilité du module d'élasticité mesuré est attribuée à la variabilité cellulaire. Cette variabilité cellulaire est moins effective pour les cellules cultivées sur les gels doux. Lorsque les cultures de cellules ont été marquées avec Red-phalloïdine, nous observons une augmentation dans l'organisation des fibres d'actine au niveau du cortex cellulaire. Ainsi, nous émettons l'hypothèse que l'augmentation de la rigidité cellulaire est une conséquence de l'organisation d'actine sous la membrane cellulaire.Le taux de prolifération a significativement diminué lorsque les cellules ont été cultivées dans les gels de polyacrylamide plus doux. La rigidité du substrat a également une influence sur l'expression génétique comme démontrée dans les réseaux de gènes. D'un autre côté, une variation significative sur l'expression génétique a été observée dans les cellules cultivées sur du verre. Tous ces résultats suggèrent que les cellules musculaires lisses répondent aux propriétés fournis par l'environment. Les neurones sont mécaniquement beaucoup plus fragiles et sensibles que les cellules musculaires lisses. Nous avons localement changé l'environment mécanochimique des axones et avons observé que cela suffisait pour induire des changements structurels significatifs tels que la formation des synapses et même l'extraction de protéines contenant des chaînes membranaires. Nous avons développé une nouvelle approche pour inciter et étudier la formation des sites présynaptiques dans les axones par une combinaison de modifications locales de l'environnement mécano-chimique en utilisant une combinaison de l'AFM et de la microscopie à fluorescence. Tout d'abord, nous utilisons une bille enrobée de poly-D-lysine pour attacher sur une pointe d'AFM dans le but d'induire une synapse. Nous avons utilisé des techniques de transfection et la microscopie à fluorescence pour étudier le recrutement de deux protéines synaptiques, basson et synaptophysine, et de mesurer leur temps d'arrivée absolue aux sites présynaptiques. Nous constatons que le basson arrive après 23 ± 10 minutes et que la synaptophysine arrive après 43 ± 9 minutes. Finalement, nous avons observé la formation de longues chaînes membranaires contenant des protéines de l'ordre de 10µm quand la pointe d'AFM a été retirée de l'axone. Ces chaînes membranaires semblent être fonctionnellement intactes. Il est concevable que ces chaînes pourraient être un mécanisme rénovateur par lequel les nouvelles neurites et les nouveaux points de branchement au long des neurites existants peuvent être générés in situ.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104663 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Suárez Sánchez, Fernando |
| Contributors | Peter H Grutter (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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