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SYNTHESE UND QUANTITATIVE ANALYSE VON STRUKTURIERTEN UND FUNKTIONELLEN HYDROGELSYSTEMEN ZUR REGULIERUNG DER ADHÄSIONSEIGENSCHAFTEN UNTERSCHIEDLICHER ZELLPHÄNOTYPEN AN GRENZFLÄCHEN

Perschmann, Nadine

English Title: Synthesis and quantitative analysis of structured and functional hydrogel systems for regulating adhesion properties of miscellaneous cell phenotypes at interfaces

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Abstract

Der Fokus dieser Arbeit ist auf die Entwicklung eines künstlichen Modellsystems der extrazellulären Matrix (EZM) gerichtet, um die Reaktion diverser Zellphänotypen auf unterschiedliche Umweltbedingungen zu erfassen. Die Imitation der verschiedenen biochemischen sowie biomechanischen Eigenschaften von Gewebe durch das hier definierte System, diente dabei zur Untersuchung des Adhäsions- und Bewegungsverhaltens von Malaria Parasiten, speziell des Plasmodium Sporozoiten Stadiums, da diese nach Injektion durch die Anopheles Mücke zunächst Gewebe passieren müssen bevor sie in die Blutbahn gelangen. Die Basis des Modellsystems stellt ein proteinabweisendes Polyethylenglykol-Diacrylat (PEG-DA) Hydrogel dar, dessen Elastizität in einem Bereich von 0,6 kPa bis 6 MPa einstellbar ist. Die Hydrogeloberfläche wurde durch einen Transferprozess mit Goldnanopartikeln dekoriert, welche zuvor mittels Block-Copolymer-Nanolithographie in einer quasi-hexagonalen Ordnung mit gezielt justierbaren Partikelabständen von 40 nm bis 270 nm auf Glas generiert wurden. Diese Goldpartikel wurden über Thiolbindungen mit verschiedenen bioaktiven Molekülen funktionalisiert und fungierten hier als Adhäsionsanker, welche in definierten Abständen und somit unterschiedlicher Dichte angeboten werden können. Eine weitere Modifikation der Hydrogeloberfläche wurde durch Carbonsäure-Funktionen erzielt. Diese konnten in bestimmten Bereichen der Geloberfläche, beispielsweise in Form einer Mikrostruktur, erzeugt werden und anschließend über Peptidbindungen mit entsprechenden Molekülen weiter umgesetzt werden. Erstmals wurde eine Anbindung der unterschiedlich elastischen und funktionalisierten Hydrogele in Form dünner Schichten auf dünne Glassubstrate ermöglicht. Hierdurch konnten verschiedene Parameter, wie Elastizität, Abstände der Adhäsionsanker und Funktionalisierungen unabhängig voneinander in zahlreichen Kombinations-möglichkeiten auf einem Glassubstrat variiert werden. Diese Methode erbrachte große Vorteile für die Mikroskopie und Substrathandhabung. Die Untersuchung der Plasmodium Sporozoiten auf diesen Substraten zeigte die höchste Motilität dieser Parasiten auf Oberflächen mit Adhäsionsabständen von 55-100 nm und einer Elastizität entsprechend derer von Zellkulturplastik. Durch Zugabe eines Aktin-polymerisationsfördernden Wirkstoffes konnte die Motilität auf weicheren Substraten jedoch stimuliert werden. Das hier entwickelte System ermöglichte damit erstmals einen experimentellen Nachweis der Synergie zwischen Adhäsionsbildung und der Aktinpolymerisation und trägt durch die Möglichkeit der Untersuchung zahlreicher Faktoren entscheidend zum besseren Verständnis des Bewegungsmechanismus der Malariaerreger bei.

Translation of abstract (English)

This thesis focuses on the development of an artificial model system of the extracellular matrix (ECM) to probe the response of diverse cell phenotypes to different environmental conditions. Specifically, diverse biochemical and biomechanical conditions of tissues were imitated using this system to investigate the adhesion and motility behavior of Malaria parasites. These so-called Plasmodium sporozoites are known to traverse tissue after injection by a mosquito before they invade into blood vessels. The basis of this model system is a protein-repellent poly(ethylene glycol)diacrylate (PEG-DA) hydrogel, the elasticity of which can be varied in a range of 0.6 kPa to 6 MPa. Using a transfer process, the hydrogel surface was decorated with gold-nanoparticles, which had originally been generated on glass in a quasi-hexagonal order with tunable inter-particle distances from 40 nm to 270 nm via block copolymer micellar nanolithography (BCMN). Through thiol bonds, these gold particles were functionalized with different bioactive molecules and thus acted as adhesion anchors, offered with variable density due to the ability to tune the inter-particle spacings. Further modification of the hydrogel surface was realized via carboxylic acid functions, which could be manufactured directly on specific areas of the gel surface, for example in the form of a microstructure, and further can be linked with bioactive molecules like proteins. For the first time, the parameters described above (hydrogel elasticity, adhesion anchor spacing, and surface functionalization) have been varied independently on the surface of a single glass substrate by linking different pieces of thin hydrogels together. This advancement provides great advantages in microscopy and substrate handling. On these substrates Plasmodium sporozoites showed the highest motility on surfaces with adhesion distances from 55-100 nm and an elasticity corresponding to cell culture plastic. Through addition of an actin-polymerization promoter, the motility on soft substrates could be stimulated. Using the developed system, experimental evidence was generated showing the synergy between adhesion-formation and actin-polymerization. The investigation of numerous factors is enabled with this system, the results of which will contribute to a better understanding of the motility mechanism of Malaria pathogens.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Prof. Dr. Joachim
Date of thesis defense: 8 December 2010
Date Deposited: 01 Mar 2011 14:05
Date: 2010
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Blockcopolymere, Nanostruktur, Hydrogel, Mikrostruktur
Uncontrolled Keywords: nanostructures , microstructures , hydrogels
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