German Title: Das Scheren von Zellen mit einzelnen elastischen Mikrosäulen zur Beeinflussung der Dynamik von fokalen Adhäsionen

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Abstract

Focal adhesions (FAs) are important adhesion sites between eukaryotic cells and the extracellular matrix: They mediate cell adhesion, spreading and motility. Over the last decade it has become evident that FAs are bi-directional mechano-chemical devices: They both exert and sense physical forces by converting biochemical signals into mechanical force and vice versa. As such, they represent a highly fascinating interface between physics and biology. Recently, it has been shown that the intrinsic force generated by the contractile machinery of the cell that leads to FA growth can be substituted by external forces. However, the exact mechanism behind FA-mediated mechanosensing remained unclear. This unsolved question has stimulated several competing theories that attempt to model the physical principles governing the force-induced assembly of adhesion plaque proteins. In this thesis, we present a novel, inexpensive method to micromanipulate living cells with single elastic micropillars and discuss the effect of lateral shear stress on focal adhesion dynamics of fibroblasts. We have successfully induced both growth and disassembly of FAs by shearing cells. Dynamics of single FAs and intensity profiles along their major axes have been analyzed in detail. We find distinct features for stretched respectively relaxed FAs. The presented data will be valuable for the further refinement, verification or falsification of theories in this field.

Translation of abstract (German)

Fokale Adhäsionen sind wichtige Adhäsionsstellen zwischen eukayiotischen Zellen und der extrazellulären Matrix: Sie vermitteln die Adhäsion, Ausbreitung und Beweglichkeit der Zellen. Im letzten Jahrzehnt wurde deutlich, dass fokale Adhäsionen bidirektionale mechano-chemische Wandler sind: Sie üben nicht nur physikalische Kräfte aus, sondern detektieren diese auch, d.h. sie wandeln biochemische Signale in mechanische Kräfte um und umgekehrt. Daher stellen sie eine höchst faszinierende Schnittmenge von Physik und Biologie dar. Kürzlich wurde gezeigt, dass die intrinsischen Kräfte, die vom kontrahierenden Zellapparat generiert werden und zum Wachstum fokaler Adhäsionen führen, durch externe Kräfte ersetzt werden können. Allerdings ist der genaue Mechanismus, der diese Reaktion fokaler Adhäsionen auf mechanische Änderungen ermöglicht, bisher unklar. Dies hat verschiedene konkurrierende Theorien hervorgerufen, die versuchen, die physikalischen Prinzipien zu modellieren, die kraft-induziertem Aufbau fokaler Adhäsionen zugrunde liegen. In der vorliegenden Dissertation stellen wir eine neuartige Methode vor, lebende Zellen mit einzelnen elastischen Mikro-Nadeln zu manipulieren, und diskutieren dabei den Einfluss von lateralen Scherkräften auf die Dynamik fokaler Adhäsionen in Fibroblasten. Uns ist es gelungen, sowohl Auf- als auch Abbau fokaler Adhäsionen durch diese Scherkräfte zu induzieren. Die dabei entstandene Dynamik einzelner fokaler Adhäsionen und ihre Intensitätsprofile wurden eingehend analysiert. Dabei wurden grundsätzlich unterschiedliche Eigenschaften angespannter und entspannter fokaler Adhäsionen beobachtet. Die hier vorgestellten Daten können einen wertvollen Beitrag zur Verbesserung, Bestätigung oder Widerlegung von Theorien auf diesem Gebiet leisten.