Die Untersuchung von Zell-Material-Wechselwirkungen ist bedeutsam für die Entwicklung innovativer Biomaterialien, wobei aus biophysikalischer Sicht der Einfluss mechanischer Eigenschaften auf das Zellverhalten, d.h., die Mechanotransduktion, von besonderem Interesse ist. Für diese Dissertation wurden humane Endothelzellen aus der Nabelschnurvene zur Adhäsion auf Polyacrylamidhydrogele (PAA-Hydrogele) gegeben, die mit einer Maleinsäurecopolymer-Beschichtung versehen waren. Für Experimente unter veränderlichen Substrateigenschaften wurden die Steifigkeit der PAA-Hydrogele und die Ligandenaffinität der Beschichtung variiert.
Der erste Teil der Dissertation umfasste die Charakterisierung der beschichteten PAA-Hydrogele. Dafür wurde der Elastizitätsmodul gemessen und die Adsorption von Fibronektin untersucht. Im zweiten Teil der Dissertation wurden die PAA-Hydrogele in der Zellzugkraftmikroskopie während der initialen Zelladhäsion (2 h) verwendet. Dabei stellte sich heraus, dass zwar die finale Zellfläche unabhängig von den Substratparametern war, aber die Ausbreitung von Zellen mit zunehmender Steifigkeit und Ligandenaffinität schneller ablief. Außerdem waren der Anstieg und die Plateauwerte der Zellzugkräfte auf steiferen Substraten größer. Die Steifigkeitsabhängigkeit lässt sich aus der Dehnungsversteifung des Aktinzytoskeletts unter Wirkung einer Spannung erklären. Eine Zunahme der Ligandenaffinität führte ebenfalls zu einer schnelleren Zunahme und größeren Plateauwerten von Gesamtzellzugkräften. Diese Beobachtung kann der Zunahme von Reibungskräften zugesprochen werden. Im letzten Teil der Dissertation sollten die biophysikalischen Ergebnisse durch die Untersuchung intrazellulärer Signalprozesse zusätzlich unterlegt werden. Dafür wurde die Entwicklung von Adhäsionsstellen durch eine immunzytochemische Färbung untersucht. Obwohl diese aufgrund der technischen Herausforderungen keine umfassenden Aussagen liefern konnte, deuteten sich einige Korrelationen, z.B. eine schnellere Entwicklung der Adhäsionsstellen auf steiferen Substraten, an.
Die Ergebnisse der Dissertation ordnen sich in den aktuellen Forschungsstand zur Mechanotransduktion von Zellen ein und konnten in Bezug auf die Adhäsionsdynamik neue Erkenntnisse beisteuern. Vor allem der Stellenwert dissipativer Beiträge zu Zell-Substrat-Wechselwirkungen (z.B. Ligandenreibung) wurde unterstrichen. Diese sind in der Entwicklung neuer Biomaterialien mit spezifischen viskoelastischen Eigenschaften von besonderer Bedeutung. / The investigation of cell-substrate-interactions is of great importance for the development of innovative biomaterials. The influence of thematerials mechanical properties on cells and their functions, i. e., the process of mechanotransduction, is of particular interest from a biophysical point of view. In this dissertation human umbilical cord vein endothelial cells were seeded onto polyacrylamide hydrogels which had been modified by a maleic acid copolymer coating. To tune the mechanical properties of the substrate the hydrogels’ stiffness and the affinity of the coatings to the adhesion ligand fibronectin were variied.
The first part of the dissertation is concerned with the characterization of the coated polyacrylamide hydrogels. The hydrogels’ Young’s modulus was measured and the adsorption of fibronectin was investigated. In the second part of the dissertation these cell culture scaffolds were used for cell traction force microscopy during the first two hours of cell adhesion. Although maximum cell area was not influenced by substrate parameters, cell spreading was faster for higher stiffness and higher ligand affinity. Traction force increase as well as plateau forces were higher on stiff substrates. The dependence of the dynamics of area and traction force on stiffness and their respective magnitudes after saturation could be related to properties of the actin cytoskeleton under stress. The increase in ligand affinity also led to a faster increase and higher mean plateau values of the total cell force. This observation was assigned to increasing friction forces between ligands and polymer coating. In the last part of the dissertation possible correlations between cell traction forces and intracellular signalling processes were examined. The development of adhesion sites during early cell adhesion was investigated by immunocytochemical staining. Due to technical reasons no comprehensive investigation could be realized, but nevertheless some correlations were observed, such as a faster adhesion site formation with higher stiffness.
The results of this dissertation add to the current state of research regarding mechanotransduction of cells and yield new findings regarding to cell adhesion dynamics. Most notably viscous contributions to cell-substrate-interactions (i.e., ligand friction) were shown to influence cell behavior. This highlights that a thorough understanding of viscous processes is of utmost significance for the development of new biomaterials with specific viscoelastic properties.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:15203 |
| Date | 25 November 2016 |
| Creators | Müller, Christina |
| Contributors | Pompe, Tilo, Kemkemer, Ralf, Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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