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Quantitative Untersuchung der Motilität des Blutparasiten Trypanosoma brucei brucei durch 4D-Tracking mittels digitaler In-line Holographie

Weiße, Sebastian Alexander

English Title: Quantitative study on the motility of the blood parasite Trypanosoma brucei brucei by 4D-tracking using digital in-line holography

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde die Motilität des Blutparasiten Trypanosoma brucei brucei untersucht. Dieser vor allem in Subsahara-Afrika verbreitete Organismus wird von der Tsetse-Fliege auf Menschen und Tiere übertragen und löst die unbehandelt tödlich verlaufende Afrikanische Schlafkrankheit aus. Nur wenige Medikamente sind bekannt, diese zeichnen sich jedoch meistens durch das Auftreten schwerer Nebenwirkungen aus. Der Organismus ist lange bekannt und seine Eigenmotilität wird seit langem mit seiner Pathogenität in Verbindung gebracht, trotzdem fehlen bislang weitgehend quantitative Untersuchungen zur Fortbewegung, vor allem der im infizierten Organismus vorkommenden Blutstromformen. Eine Strategie des Parasiten um die Immunantwort des Wirtes zu umgehen ist das „Abwaschen“ an der Zelloberfläche gebundener Antikörper durch gerichtetes Schwimmen. Desweiteren ist die Eigenbewegung von großer Bedeutung für die Zellteilung und damit erfolgreiche Vermehrung des Organismus sowie für die Verteilung im Wirt, da im Endstadium der Krankheit durch den Parasiten aktiv die Blut-Hirn-Schranke passiert wird. Die Kenntnis des zugrundeliegenden Fortbewegungsmechanismus ist also von grundlegender Bedeutung zum Verständnis der Pathogenese und damit zur Entwicklung von Strategien zur medikamentösen Bekämpfung des Erregers im infizierten Wirt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Motilitätsverhalten von Trypanosomen unterschiedlicher Lebenszyklusstadien bei verschiedenen Temperaturen mikroskopisch untersucht. Dazu wurde ein portables, holographisches Mikroskop entwickelt, dass die Vermessung von Trypanosomen bei physiologischen Temperaturen mit hoher Auflösung und Stabilität erlaubt. Die erhaltenen 3D-Daten erlauben erstmals eine quantitative Analyse frei schwimmender Trypanosomen über große Volumina und Zeiträume. Aus den Daten wurden zwei deutlich unterscheidbare Schwimmzustände abgeleitet, für die charakteristische Schwimmparameter, wie mittlere Schwimmgeschwindigkeiten und –winkel sowie typische Ausbreitungsverhalten abgeleitet werden konnten. Die Schwimmzustände konnten durch Referenzmessungen mit Motilitätsmutanten und unter Verwendung spezieller Probenkammern erfolgreich zwei unterschiedlichen Bewegungsmodi der die Trypanosomen antreibenden Struktur, dem Flagellum, zugeordnet werden. Die erhaltenen Daten zeigen deutlich die Adaption der Lebenszyklusstadien an ihre jeweils physiologische Temperatur und stützen eines der postulierten Modelle für die Trypanosomenbewegung, das run-and-tumble-Modell. Sie stellen somit einen wichtigen Beitrag zur Diskussion des Fortbewegungsmechanismus von Trypanosomen dar.

Translation of abstract (English)

In the given work the motility of the blood parasite Trypanosoma brucei brucei was investigated. The organism predominantly occurs in Subsahara Africa, where it is conducted to its human or mammalian hosts via the Tsetse fly, causing the African Sleeping Sickness, which is fatal unless treated. Drugs are rare and show severe side effects. The organism has been known for a long time and its active self-propulsion has been brought into context with its pathogenity, however quantitative data on the motility, especially of the blood stream forms in the infected hosts, are still widely missing. One known strategy of the parasite to evade the immune response is washing off surface bound antibodies by the shear forces occurring while directed swimming of the organism. Motility is also crucial for cell division and the distribution of the parasite in the host‟s organism, i.e. when it passes the blood brain barrier in late stages of the disease. Therefore a deeper understanding of Trypanosoma’s underlying motility mechanisms is pivotal for developing new strategies to fight Sleeping Sickness. In the course of this work the motility of different cell cycle states of T. brucei at different temperatures has been studied in 3D. To do so a portable holographic microscope with temperature control has been developed to track trypanosomes at their physiological temperatures with high stability and accuracy. The resulting 3D data allow for the first time to quantitatively analyze free swimming trypanosomes over large volumes and long time spans. From the data two distinct swimming modes and their characteristic values for motility parameters such as swimming speed, angle and displacement could be derived. By conducting reference measurements with motility mutants and modified sample cuvettes, the two swimming states could be linked to two different beating modes of the trypanosomes‟ propulsion unit, the flagellum. Adaption of the two cell cycle states under investigation to their physiological temperatures could be shown and one of the motility models in discussion for trypanosomes, the run-and-tumble, could be further strengthened with the results of this work. Therefore this study is an important contribution to the ongoing discussion on trypanosome motility.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 10. October 2011
Date Deposited: 19. Oct 2011 13:05
Date: 2011
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Holographie, Motilität, Blutparasit, Trypanosoma brucei brucei, Mikroskopie
Uncontrolled Keywords: holography , motility, blood parasite , Trypanosoma brucei brucei , microscopy
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