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Image analysis and modeling of cellular organization in micropatterned environments

Linke, Marco

German Title: Bildanalyse und Modellierung der Zellorganisation in mikrostrukturierten Umgebungen

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In experimental cellular biophysics, it has become standard practice to control the shape and organization of adherent cells. For this purpose, micropatterned environments are being used, which are fabricated using techniques from materials science. Thereby, cell variability can be reduced, which facilitates statistical analysis and allows for a detailed comparison to mathematical models. In this thesis we combine image processing with computational modeling and use the normalization properties of micropatterned environments to investigate cellular organization. In the first part, we apply image analysis techniques to study cell shape and internal organization. For this, we first analyze how contractile polymer bundles, so-called stress fibers, determine the shape of adherent cells in two and three dimensions. Next, we investigate the detailed structure of such bundles and quantify their influence on cellular contraction dynamics. In the second part of the thesis we develop different computational modeling approaches to gain deeper understanding into the interplay between cell shape and the microtubule network. We propose models that are based either on stochastic simulations of polymers or on an effective continuum theory for liquid crystals. With these models we can explain experimental results and predict the internal architecture of cells adhering to micropatterned substrates.

Translation of abstract (German)

In der experimentellen Zellbiophysik ist es mittlerweile Standard geworden die Form und Organisation von adhärenten Zellen zu kontrollieren. Hierfür werden mikrostrukturierte Umgebungen verwendet, die mit Methoden aus den Materialwissenschaften hergestellt werden. Dadurch kann die zelluläre Variabilität reduziert werden, wodurch die statistische Analyse vereinfacht und einen detaillierter Vergleich mit mathematischen Modellen ermöglicht wird. In dieser Arbeit verbinden wir Bildverarbeitung mit computergestützter Modellierung und nutzen die Normierungseigenschaften von mikrostrukturierten Umgebungen um die Zellorganisation zu untersuchen. Im ersten Teil wenden wir Techniken der Bildanalyse an, um die Form und interne Struktur von Zellen zu charakterisieren. Hierzu analysieren wir zunächst, wie kontraktile Polymerbündel, sogenannte Stressfasern, die Form von adhärenten Zellen in zwei und drei Dimensionen bestimmen. Dann untersuchen wir die detaillierte Struktur dieser Bündel und quantifizieren außerdem den Einfluss von Stressfasern auf die zelluläre Kontraktionsdynamik. Schließlich analysieren wir, wie sich die Normierung der Zellform auf die Organisation des intrazellulären Polymernetzwerks der Mikrotubuli auswirkt. Im zweiten Teil der Arbeit entwickeln wir verschiedene Ansätze der computergestützten Modellierung um ein tieferes Verständnis für dasWechselspiel von Zellform und Mikrotubuli-Netzwerk zu erlangen. Wir stellen Modelle auf, die einerseits auf stochastischen Simulationen von Polymeren und andererseits auf einer effektiven Kontinuumstheorie für Flüssigkristalle basieren. Mit diesen Modellen können wir experimentelle Ergebnisse erklären und die interne Architektur von Zellen voraussagen, die auf Mikrostruktursubstraten adhärieren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schwarz, Prof. Dr. Ulrich S.
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 10 January 2017
Date Deposited: 19 Apr 2017 09:41
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
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