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Micromechanical Properties and Structure of the Pericellular Coat of Living Cells Modulated by Nanopatterned Substrates

Boehm, Heike

German Title: Mikromechanische Eigenschaften und Struktur der perizellulären Matrix lebender Knorpelzelle moduliert durch nanostrukturierte Substrate

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Abstract

Das mechanisch stark beanspruchte Knorpelgewebe in Gelenken besteht zum überwiegenden Teil aus einer komplexen extrazellulären Matrix (ECM). Chondrozyten, spezialisierte in der Matrix eingebettete Zellen, erneuern diese fortwährend, um deren Abrieb und Verschleißzu verhindern. Die Zellen werden durch eine mikrometerdicke perizelluläre Matrix (PCC) geschützt, die ein Überleben und ein Teilen der Zellen trotz der hohen mechanischen Belastung ermöglicht. Die PCC ist von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl weiterer biologischer Prozesse, wie der Motilität, der Zellalterung und der Ostheoarthrose. Auf molekularer Ebene ist die Zusammensetzung und Wechselwirkung der verschiedenen PCC-Komponenten gut verstanden: Der überwiegende Teil der PCC besteht aus Wasser und ist damit mit lichtmikroskopischen Methoden nicht detektierbar. Das Rückgrat der PCC wird aus stark hydratisierten Hyaluronsäurepolymeren und daran angebundenen HA-Bindungsproteinen gebildet. Informationen über die mesoskopische Struktur der PCC sind allerdings kaum vorhanden. Diese ist jedoch von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis der Kraftübertragung aus dem Knorpelgewebe auf die Zellen sowie zur Aufklärung des Mechanismus, der den Zellen eine aktive Anpassung der PCC ermöglicht Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher neue Methoden zur Visualisierung der PCC etabliert, die eine dreidimensionale Darstellung, sowie die mikromechanische Charakterisierung der PCC lebender Zellen ermöglichen. Diese Methoden erlaubten die Untersuchung der dynamischen Anpassung der PCC bei Zellteilung, Motilität und Phagozytose. Die mesoskopische Struktur der PCC konnte von den erhaltenen Messdaten abgeleitet und durch entsprechende Modellsysteme aus endständig angebundenen HA Molekülen unterstützt werden. Darüber hinaus konnte das Wechselspiel von PCC und ECM mit Hilfe von Adhäsionsstudien auf homogenen sowie nanostrukturierten Oberflächen, welche die ECM-Wechselwirkungen kontrollieren, untersucht werden.

Translation of abstract (English)

The articular cartilage mainly consists of a complex extracellular matrix (ECM), which is sub ject to a high mechanical loading. To counteract the ongoing abrasion, a specialized cell type is embedded within the ECM. These so-called chondrocytes constantly recondition the ECM. To live and even divide in such a mechanically challenging environment, chondrocytes are protected by a several micron thick pericellular coat (PCC). The PCC is of vital biological importance for example in cell proliferation and migration, but also affected by increasing age or in conjunction with diseases like ostheoarthritis. Water provides the essential part of the PCC and the coat therefore remains invisible in all light microscopy techniques. Hyaluronan (HA) forms the vital backbone of the PCC together with its HA-binding proteins. Whereas the individual components and even their molecular interactions are well understood, the mesoscopic structure of the PCC still lies in an unexplored field of science. Especially in matters of understanding the mechanisms for the PCC’s dynamic adjustment and, more general, force transductions detailed studies on this topic are of lively interest. In this thesis, new methods for the visualization of the PCC have been established, enabling its three dimensional visualization and its micromechanical characterization on living cells. The application of these techniques revealed the dynamic adjustment of the PCC during cell division, motility and phagocytosis. The mesoscopic structure of the PCC was successfully deduced and supported by model systems of grafted HA. Furthermore, the interplay between the ECM and the PCC has been investigated by adhesion-experiments mimicking the ECM in a well defined way.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Prof. Joachim P.
Date of thesis defense: 9. December 2008
Date Deposited: 27. Jan 2009 08:54
Date: 2008
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords: perizelluläre Matrix , Knorpelzellen , nanostrukturierte Oberflächen , Mikrorheologie , Hyaluronsäurepericellular coat , chondrocyte , nanostructured surfaces , microrheology , hyaluronan
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