Etablierung von Rasterkraftmikroskopie zur Messung viskoelastischen Eigenschaften von lebenden Zellen auf elastischen Substraten

12.07.2016 bis 12.07.2017

Die meisten, wenn nicht alle Gewebezellen spüren und reagieren auf die Steifigkeit ihrer Mikroumgebung mit Änderung in Zellform, Gen- und Proteinexpression, Zytoskelettzustand und mechanischen Eigenschaften [1]. Diese Fähigkeit ist beteiligt an vielen grundlegenden zellulären Prozessen wie Migration [2, 3], Stammzelldifferenzierung [4], Proliferation [5] sowie bei Gewebeentwicklung [6] und Erkrankungen [7, 8]. Allerdings sind die zugrunde liegenden Mechanismen kaum verstanden [9] und die Veränderung der viskoelastischen Eigenschaften von Zellen als Reaktion auf die Steifigkeit der Mikroumgebung, was tiefen Einblick in die Mechanosensitivität erlauben könnte, wurde bisher kaum untersucht. Ziel dieses Projekts ist daher, diese Lücke zu schließen und eine Methode basierend auf Rasterkraftmikroskopie [10] (engl. „atomic force microscopy“, AFM) zur Messung viskoelastischer Eigenschaften lebender Zellen auf elastischen Substraten zu etablieren. AFM an sich ist eine etablierte und weitverbreitete Technik zur Messung mechanischer Eigenschaften lebender Zellen mit subzellulärer Auflösung [11]. Aktuelle AFM-Methoden messen dabei fast immer die rein elastisches Eigenschaften der Zellen. Allerdings verhalten sich Zellen auch teilweise viskos und viskoelastische Eigenschaften könnten daher viel genauere und sinnvollere Aussagen liefern als elastische Eigenschaften alleine. Durch Kombination meiner Fähigkeiten in Entwickeln AFM-basierter Rheologieexperimente und die Erfahrung des Gastgebers in Mechanobiologie und experimentellen Ansätzen zum Verständnis der Zellfunktion wird uns dieser Gastaufenthalt ermöglichen, viskoelastische Messungen auf Zellen auf elastischen Substraten mit physiologisch relevanten mechanischen Eigenschaften zu implementieren, was neue fundamentale Einblicke in die Mechanobiologie lebender Zellen ermöglicht.

1. Discher, D.E., P.A. Janmey, and Y. Wang, Tissue cells feel and respond to the stiffness of their substrate. Science, 2005. 310(5751): p. 1139-1143.
2. Lo, C.M., et al., Cell movement is guided by the rigidity of the substrate. Biophys. J., 2000. 79(1): p. 144-152.
3. Kuo, C.-H.R., et al., Complex Stiffness Gradient Substrates for Studying Mechanotactic Cell Migration. Advanced Materials, 2012. 24(45): p. 6059-6064.
4. Engler, A.J., et al., Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell, 2006. 126(4): p. 677-689.
5. Ulrich, T.A., E.M. de Juan Pardo, and S. Kumar, The Mechanical Rigidity of the Extracellular Matrix Regulates the Structure, Motility, and Proliferation of Glioma Cells. Cancer Res., 2009. 69(10): p. 4167-4174.
6. Franze, K., The mechanical control of nervous system development. Development, 2013. 140(15): p. 3069-3077.
7. Paszek, M.J., et al., Tensional homeostasis and the malignant phenotype. Cancer Cell, 2005. 8(3): p. 241-254.
8. Jaalouk, D.E. and J. Lammerding, Mechanotransduction gone awry. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2009. 10(1): p. 63-73.
9. Ladoux, B. and A. Nicolas, Physically based principles of cell adhesion mechanosensitivity in tissues. Rep. Prog. Phys., 2012. 75(11): p. 116601.
10. Binnig, G., C.F. Quate, and C. Gerber, Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett., 1986. 56(9): p. 930-933.
11. Radmacher, M., et al., Measuring the viscoelastic properties of human platelets with the atomic force microscope. Biophys. J., 1996. 70(1): p. 556-567.