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Quantification of cell adhesion strength on artificial surfaces with a microfluidic shear force device

Christophis, Christof

German Title: Quantifizierung der Zelladhäsionsstärke auf künstlichen Oberflächen mittels einer mikrofluidischen Scherkraftapparatur

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Abstract

Adhesion strength is a measure to determine the interaction between cells and their environment. Numerous types of devices and coatings are developed in order to meet medical and non medical issues and surface properties can be tuned in order to evoke specific cell response. In this work various properties of solid surfaces were investigated towards their impact on adhesion process and adhesion strength of mammalian cells, which both give information on the cell interaction with the substrate. Therefore a sophisticated assay to observe cell adhesion and measure cell adhesion strength on artificial surfaces was developed. Its capability to measure cell adhesion strength in the order of five magnitudes with a high reliability and quantitative output was applied to synthetic surfaces with different degree of hydration, anisotropic topography, bioactivity and different polarizations. Investigation of fibroblast adhesion on ethylene glycol self assembled monolayers showed that cell adhesion strength is reduced by increasing degree of hydration. At the same time it was found that cell adhesion strength was independent of cell spreading area, in particular when a certain spreading size was reached. This finding may strengthen the zipper detachment mechanism by which the cell detachment occurs after distinct bonds are broken. Another study on hydrogel like polysaccharides confirmed the inability of fibroblasts to attach to hydrated surfaces. At the same time it was found that hematopoietic progenitor cells expressing CD44 receptors overcome the inertness and attach to the coating by shear force induction through a hydrodynamic flow. This finding may explain the fact that the presence of hyaluronan is a prerequisite in the stem cell homing and engraftment process into the bone marrow. Besides receptor ligand interactions more basic surface polarity effects were studied, which have been reported to have a minor impact towards cell adhesion. Here it was shown by investigation of fibroblast adhesion on periodically poled ferroelectric lithium tantalite crystals, that the gradient between two opposite polarities can be sensed by cells but not the polarity itself. The cells do not distinguish the overall polarity of a surface, but avoid placing the nucleus in proximity to the sharp borders in between to inverse polarities as the cells start to spread. Even though this astonishing reaction is unexpected it is not contradictive to the absence of polarity sensing because sensing of a polarity gradient is different from a distinct polarization spread over a large area. Instead of a gradient, anisotropic surface properties can be achieved by directional surface texture. Anisotropically textured poly(p-xylylene) surfaces, which consist of dense packed tilted nanorods, revealed a force directional dependence of fibroblast cell adhesion strength. The hydrodynamic shear force applied with the direction of nanorod tilting revealed a reduced cell adhesion strength compared to force application perpendicular and against the tilting. This finding could be explained by a model which accounts for cell filopodia attaching between nanorods of the surface. In order to prove the filopodia attachment theory more sophisticated imaging, which reveals ultrastructural components, was needed. Therefore, cell preparation protocols were established with special attention to preserve cellular structure to image via X-ray holography under ultrahigh vacuum conditions. The imaging project was conducted in a consortium of researchers and first successful imaging was demonstrated.

Translation of abstract (German)

Zellhaftstärke ist ein Maß um die Wechselwirkungen zwischen Zellen und ihrer Umgebung zu bestimmen. Unzählige Geräte und Beschichtungen werden für medizinische und nichtmedizinische Zwecke entwickelt und Oberflächeneigenschaften können gezielt modifiziert werden, um spezifische Reaktionen von Zellen hervorzurufen. In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Oberflächeneigenschaften bezüglich ihres Einflusses auf den Adhäsionsprozess und die Haftstärke von Säugetierzellen untersucht. Beide Messgrößen geben Aufschluss auf die Wechselwirkung zwischen Zelle und Oberfläche. Zur Durchführung der Messungen musste ein technisch ausgefeilter mikrofluidischer Aufbau entwickelt werden. Die Realisierung des Systems ermöglichte es Zellhaftstärke in einem Bereich von fünf Größenordnungen mit hoher Verlässlichkeit zu bestimmen und wurde anschließend auf synthetische Oberflächen mit unterschiedlicher Hydratation, anisotropischer Topographie, Bioaktivität und Polarisation angewendet. Untersuchungen von Fibroblasten auf selbst organisierten Monolagen zeigten, dass die Zellhaftstärke mit steigender Hydratation abnimmt. Dabei konnte auch gezeigt werden, dass die Zelladhäsionsstärke oberhalb einer bestimmten Zellausbreitung unabhängig von der Ausbreitungsfläche ist. Dieses Resultat stellt ein weiteres Indiz zum Reißverschluss Abrissmechanismus dar, welcher besagt dass der komplette Zellabriss stattfindet, nachdem bestimmte Einzelbindungen gebrochen wurden. Eine andere Studie wurde auf hydrogelähnlichen Polysacchariden durchgeführt und bestätigt das fehlende Haftvermögen von Fibroblasten auf hydratisierten Oberflächen. Im Gegensatz dazu waren CD44 exprimierende hematopoetische Vorläuferzellen aus Nabelschnurblut dazu befähigt unter Einwirkung eines hydrodynamischen Flusses an das Polysaccharid Hyaluron zu binden. Diese Erkenntnis könnte erklären warum die Anwesenheit von Hyaluron im Knochenmark eine Grundnotwendigkeit für das Homing von Stammzellen darstellt. Abgesehen von spezifischen Rezeptor-Ligand Wechselwirkungen wurden auch die Auswirkung grundlegender Oberflächeneigenschaften wie Polarität auf die Zelladhäsion hin untersucht. In der vorgestellten Studie wurde die Zelladhäsion auf periodisch abwechselnd gepolten ferroelektrischen Lithium-Tantalat Kristallen bestimmt. Hierbei zeigte sich, dass Fibroblasten nicht auf die positive oder negative Polarität selbst reagieren wohl aber auf den Gradienten, der sich auf der Grenze zwischen zwei entgegengesetzt polarisierten Domänen bildet. Sobald der Zell-Ausbreitungsprozess beginnt vermieden es die Zellen sich so zu positionieren, dass der Zellkern auf den Grenzen liegt. Auch wenn diese Beobachtung unerwartet scheint, so ist sie dennoch nicht widersprüchlich zur fehlenden Reaktion auf durchgehend gleich polarisierten Oberflächen, weil im Falle eines Polarisationsgradienten die Zellen nur auf eine Änderung der Oberflächeneigenschaften reagieren müssen. Anstelle von Polarisationsgardienten können anisotrope Oberflächeneigenschaften auch durch gerichtete Oberflächenstrukturierung erhalten werden. Hierfür wurden Nanostäbchen aus poly(p-xylylene) verwendet, welche dicht gepackt in einem definierten Kippwinkel auf der Oberfläche stehen. Es konnte gezeigt werden, dass Fibroblasten eine richtungsabhängige Haftstärke auf diesen Oberflächen aufweisen. Wurde die hydrodynamische Scherkraft in Kipprichtung der Stäbe angelegt, resultierte eine vergleichsweise geringere Haftstärke als im Falle von hydrodynamischer Scherkraft gegen und quer zur Kipprichtung der Stäbe. Dieses Resultat konnte durch ein Modell erklärt werden, welches ein Eindringen der Zellfortsätze in die Lücken zwischen den Stäben für die Unterschiede verantwortlich macht. Da mit den kommerziellen Methoden nur im Ansatz gezeigt werden konnte, dass die Fortsätze zwischen die Stäbe penetrieren, wurde eine Technik benötigt welche ultrastrukturelle Komponenten abbilden kann. Zellproben, welche unter speziell entwickelten Präparationsmethoden hergestellt wurden, konnten mittels Röntgenstrahlen Holography unter Ultrahochvakuum Bedingungen gemessen werden. Dieses Projekt würde von einem Zusammenschuss von Forschern realisiert und erste erfolgreiche Bilddarstellung von Zellen wurde gezeigt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 20. July 2011
Date Deposited: 26. Jul 2011 10:47
Date: 2011
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Mikrofluidik, Zelladhäsion, Mikroskopie, Oberflächenchemie, Polarisierung, Biologische Aktivität, Hydratation, Textur, Schubspannung
Uncontrolled Keywords: Microfluidics , Cell Adhesion , Bioactivity , Topography , Hydration
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