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Uniaxial Mechanical Assays on Adherent Living Single Cells : Animal Embryonic Fibroblasts and Human Pancreas Cancer Cells

Micoulet, Alexandre

German Title: Einachsige mechanische Untersuchung einer einzelnen lebenden adhärenten Zelle : animale embryonale Fibroblasten und menschliche Krebs-Zellen der Bauchspeicheldrüse

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Abstract

Despite their biological complexity, animals, living tissues and cells, the smallest unit of live, are subjected to physical principles. In living tissues, permanent or transient regulation processes, such as biochemical and mechanical interactions between a single cell and its environment are essential to develop tissue structure and function. These interactions play a major role in biological processes such as differentiation and gene expression of cells. In contrast, metastatic cancer cells escape such regulations. These cells proliferate and migrate through tissues unregulated, ignoring input from environment. Their mechanical and adhesion properties are drastically different than those of non-tumour cells. The presented studies describe experiments which mimic conditions in vivo by applying uniaxial stress to a single living cell under physiological conditions. Simultaneously, applied force, cell deformation and cellular shape are determined with highest accuracy. Uniaxial deformation is applied to a single cell which adheres between two parallel glass plates. Such mechanical assays accomplished at constant displacement or constant force allow for quantifying cellular viscoelastic properties and for describing the data by using linear force relations or the Kelvin model. Biolipids such as sphingosylphosphorylcholine and lysophosphatidic acid modulated the cytoskeleton architecture which showed to cause fatal consequences for mechanical properties of rat embryonic fibroblasts and human pancreatic cancer cells. Cellular stiffening or softening, power generation and energy consumption upon cellular contraction of a single cell are quantitatively measured. For example, the contraction power of a single cell was measured to be ca. 10-18 Watt which corresponds to approximately 2500 molecules of ATP/s at 10 kBT/ATP per molecule.

Translation of abstract (German)

Trotz der enormen Komplexität lebender Materie, wie beispielsweise Gewebe und Zellen � die kleinste lebende Einheit � folgt diese physikalischen Prinzipien. In lebendem Gewebe sind andauernde oder zeitweise regulierte Prozesse, wie beispielsweise biochemische und mechanische Wechselwirkungen zwischen einzelnen Zellen und ihrer Umgebung grundlegend für den Aufbau von Gewebestrukturen und deren Funktion. Diese Wechselwirkungen regulieren beispielsweise die Differentiation und die Genexpression von Zellen grundlegend. Hierzu steht das Verhalten von Krebszellen im Gegensatz. Krebszellen vermehren sich und bewegen sich durch Gewebe unkontrolliert. Das mechanische Verhalten und das Adhäsionsverhalten sind von normalen Zellen sehr verschieden. Die vorliegende Arbeit beschreibt Experimente welche die Bedingungen einer Zelle im Gewebe nachahmen, indem ein uniaxialer, mechanischer Stress unter physiologischen Bedingungen an eine einzelne Zelle angelegt wurde. Gleichzeitig wurde die angelegte Kraft, die Zelldeformation und die zelluläre Form mit höchster Genauigkeit gemessen. Die uniaxiale Deformation wurde mittels zweier Mikroglasplatten einer einzelnen Zelle aufgezwungen. Diese Experimente konnten entweder mit konstanter Kraft oder konstanter Deformation kontrolliert werden und erlaubten die Quantifizierung der zellulären viskoelastischen Eigenschaften und deren Beschreibung mittels linearer Kraftgesetze oder dem Kelvin-Modell. Biolipde, wie beispielsweise Sphingosylphosphorylcholin und Lysophosphatidsäure, verändern die Architektur des Zytoskeletts. Dies zeigte fatale Konsequenzen bezüglich der mechanischen Eigenschaften von embryonalen Fibroblasten von Ratten und menschlichen Pankreas-Krebs-Zellen. Zelluläre Versteifung und Erweichung, die Leistung und der Energieverbrauch einer einzelnen Zelle konnte quantitativ bestimmt werden. Beispielsweise betrug die Kontraktionsleitung einer einzelnen Zelle ca. 10-18 Watt, was einem Verbrauch von ca. 2500 Molekülen ATP/s bei 10 kBT/ATP pro Molekül entspricht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Joachim P.
Date of thesis defense: 15. December 2004
Date Deposited: 13. Jan 2005 11:42
Date: 2004
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Viskoelastisches Medium, Mechanische Prüfung
Uncontrolled Keywords: einzelne Zelle , Krebs
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