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Cellular Separation Forces Studied by Force Spectroscopy and Microplate Manipulation

Hadji Hosseini, Babak

German Title: Untersuchung zellulärer Abrisskräfte mittels Kraftspektroskopie und Glasmikroplatten

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Abstract

During adaptive immune response, peptides from foreign microorganisms are processed and displayed on the surface of Antigen Presenting Cells (APCs) within the cleft of major histocompatibility complexes (pMHC), which are recognized by T cells that patrol the body. In recent years, a large spatially organized molecular cluster called immune synapse (IS) has been identifed, which forms at the T cell/APC interface. Little is known about the biophysics of these cell conjugates and it is generally believed that cell adhesion molecules are activated on the T cell surface after recognition, which presumably leads to higher adhesion forces between the two cells. Thus, the goal of this thesis was to measure the change of total adhesion forces between T cells and APCs when peptide was present compared to the case when peptide was absent. In this work, we report the first measurement of separation forces between T cells and APCs employing a cell stretcher device and Atomic Force Microscopy (AFM). We analyze the kinetics of T cells that interact with APCs presenting a foreign peptide by their MHC (pulsed), and APCs carrying no peptide (unpulsed) for contact times of 0 to 60 minutes. Unlike pulsed cells, unpulsed APCs did not show the formation of immune synapses. Forces are comparable for short time points but start to deviate after 15 min to reach a maximum after 30 min in the pulsed case. We were able to correlate single rupture events in AFM spectra to protein unbinding theories and, hence, gained a deeper insight into the molecular basis for the increase in adhesion forces. Thus, this work provides an important contribution to the physical understanding of cell-cell adhesion.

Translation of abstract (German)

In unserem Immunsystem tasten T-Zellen beständig antigenpräsentierende Zellen (AP-Zellen) nach antigen-beladenen MHC Molekülen ab, um mit ihren spezifischen T-Zell-Rezeptoren (TZR) fremdartige Mikroorganismen zu erkennen, welche in den Körper eingedrungen sind. In den letzten Jahren wurde deutlich, dass die Adhäsion zwischen T-Zellen und AP-Zellen durch eine spezielle Anordnung der Oberflächenmoleküle gekennzeichnet ist. Die hierbei auftretenden biophysikalischen Effekte sind noch weitgehend unerforscht. In der vorliegenden Dissertation vergleichen wir die zeitabhängigen Adhäsionskräfte zwischen T-Zell/AP-Zell Paaren bei An- bzw. Abwesenheit von Antigenen an deren Oberfläche. Die Interaktion der Zellpaare wurde hierbei mit einer Zellziehaparatur visualisiert und mit den am Rasterkraftmikroskop gemessenen Kraftspektren korreliert. Wir konnten zeigen, dass die Adhäsionskräfte bei Vorhandensein von Antigenen mit ca. 14 nN bis zu zehnmal höher sind als im Falle ihrer Abwesenheit. Hierbei liegen die gemessenen Kräfte zwischen den unterschiedlichen Zellpaaren in den ersten 2 Minuten bei ca. 2 nN. Nach einer Adhäsionszeit von 15 min steigen die Kräfte bei Paaren mit Antigen an, um nach 30 min ein Maximum zu erreichen. Die Adhäsionskräfte bleiben bei Paaren ohne Antigen im gleichen Zeitraum niedrig. Neben der Gesamtadhäsionskraft zwischen den Zellen wurden desweiteren Einzelmolekülabrisse ausgewertet und mit Hilfe theoretischer Modelle Einblicke in das Interaktionspotenzial der Proteine gewonnen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass fremdartige Antigene an der Zelloberfläche von AP-Zellen starke Zelladhäsion mit T-Zellen auslösen und trägt demzufolge entscheidend zum besseren Verständnis der Rolle von Kraft in Zell-Zellinteraktion bei.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Joachim
Date of thesis defense: 14 November 2008
Date Deposited: 06 Mar 2009 10:27
Date: 2008
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Adhäsion, Zelladhäsion, Immunozyt, Biophysik, Synapse, Immunsystem, Kraftmikroskopie
Uncontrolled Keywords: Kraftspektroskopieadhesion , cell-cell adhesion , immune synapse , single-cell force spectroscopy , biophysics
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