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Development of in vitro model systems to study single and collective cell migration

Rolli, Claudio Gavino

German Title: Entwicklung von in vitro Sytemen zur Untersuchung des Migrationsverhaltens von einzelnen Zellen und Zellverbänden

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Abstract

Cell migration is an essential characteristic of both physiological and pathological processes within the human body. In order to study the complex process of cell migration different in vitro model systems have been developed in the past. The challenge for all these assays is to provide the cells a substrate that mimics particular properties of the extracellular matrix (ECM) while a high control over experimental parameters and monitoring is desired. However, migration assays commonly used in cell biology and medical research are rather limited in the control over the architecture of the provided matrix on or through which the cells move or by the lack of adequate imaging devices to monitor cell dynamics. To overcome some limitations of conventional migration assays, it was the aim of this work to develop two different methods and employ them in order to quantify migrative behavior of cells under precisely controlled in vitro conditions. The first assay consists of microfabricated three dimensional (3D) scaffolds, which allow to study cell migration dynamics through confined environments via live-cell imaging. Channel structures of precisely defined dimensions were utilized to quantify the invasiveness of single cancer cells with respect to modifications of their cytoskeleton organization. In addition, dynamical migration patterns of the cells inside these confined 3D environments were analyzed and found to be significantly changed from their counterparts on flat, two dimensional (2D), surfaces. Furthermore, it was shown that such microfabricated structures could be functionalized in the nanometer range with patterns of gold nanoparticles. Thus, the selective binding of ECM-derived ligand motifs, to the gold particles allows for mimicking specific features of the ECM in 3D.

Translation of abstract (German)

Die Fähigkeit von Zellen zu migrieren ist eine für den menschlichen Organismus essenzielle Eigenschaft. Migrierende Zellen übernehmen eine zentrale Rolle in sowohl lebenserhaltenden, als auch pathologischen Prozessen. Um die komplexen Vorgänge, welche während der Migration von Zellen ablaufen, zu untersuchen sind eine Reihe verschiedener in vitro Modellsysteme entwickelt worden. Die Hauptanforderungen an solche Untersuchungsmethoden bestehen vor allem darin, dass sowohl den Zellen einzelne Strukturelemente, welchen sie normalerweise in der Extrazellulären Matrix (ECM) ausgesetzt sind, in möglichst kontrollierter Art und Weise dargeboten werden sollen, als auch, dass die Beobachtung des dynamischen Zellverhaltens gewährleistet werden muss. Die meisten solcher Untersuchungsmethoden, wie sie vor allem in der Zellbiologie und der medizinischen Forschung angewendet werden, sind jedoch beschränkt, entweder in Bezug auf die Beschaffenheit der Oberflächen welche den Zellen zur Migration angeboten werden können, oder durch stark limitierte Möglichkeiten zur Beobachtung des dynamischen Zellverhaltens. Um die erwähnten Einschränkungen solcher Methoden zur Untersuchung von Zellmigration zu überwinden, wurden im Laufe der vorliegenden Promotion zwei verschiedene Untersuchungsmethoden entwickelt. Diese erlauben es, das dynamische Migrationsverhalten von Zellen unter präzise definierten Bedingungen in vitro zu untersuchen. Kernstück der ersten Methode bilden mikrostrukturierte Kammern welche es ermöglichen das Migrationsverhalten von Zellen durch definierte dreidimensionale (3D) Modellstrukturen in Echtzeit im Mikroskop zu verfolgen. Mit solchen definierten Kanalstrukturen wurde das invasive Verhalten einzelner Tumorzellen in Abhängigkeit von strukturellen Veränderungen des Zellskeletts bestimmt. Zudem wurde das dynamische Verhalten der Zellen während ihrer Migration durch die 3D Modellstrukturen untersucht, wobei maßgebliche Abweichungen in deren Verhalten im Vergleich zu dem auf ebenen Oberflächen beobachtet wurden. Zudem konnte gezeigt werden, wie die Oberflächen von 3D Mikrostrukturen zusätzlich mit nanostrukturierten Mustern von Goldnanopartikeln versehen werden können. Die Goldpartikel können selektiv mit einzelnen Bindungsmotiven funktionalisiert werden, was die Möglichkeit bietet spezifische, strukturelle sowie funktionelle, Eigenschaften der ECM in 3D Modellsystemen nachzuahmen. Die zweite entwickelte Untersuchungsmethode besteht im Kern aus photoschaltbaren Oberflächen. Mit diesen ist es möglich die Migration von Zellensembles unter - räumlich und zeitlich - präzise definierten und dynamisch anpassbaren Bedingungen zu untersuchen. Die Oberflächen wirken zunächst zellabweisend wirken, lassen sich jedoch mittels Belichtung mit ultraviolettem Licht durch eine Fotomaske in beliebigen Regionen in zelladhäsive Oberflächen umwandeln. Das Expansionsverhalten zusammenhängender Verbände von Epithelzellen wurde mit diesen schaltbaren Oberflächen untersucht. Durch systematische Veränderung der anfänglichen Größe und Geometrie der Zellverbände konnte gezeigt werden, dass diese Faktoren direkt das Maß an kooperativem Verhalten der Zellen beeinflussen und bestimmen kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Prof. Dr. Joachim P.
Date of thesis defense: 13. December 2011
Date Deposited: 17. Jan 2012 15:42
Date: 2011
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Zellmigration, Extrazelluläre Matrix, Wundheilung, Metastase, Photolithographie
Uncontrolled Keywords: Zellskelett , Kollektives Verhaltencell migration , cytoskeleton , extracellular matrix , collective behavior
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