English Title: Biophysical functions of keratin network in malignant Panc-1 cells

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Abstract

Die lebende Zelle ist ein hochkomplexes System, das von vielen gekoppelten und gleichzeitig ablaufenden Vorgängen im Inneren und durch äuÿere Signale reguliert wird. Dabei stellen mechanische Kräfte und die Geometrie der Umgebung wichtige Steuerungssignale auf zellulärer Ebene dar. Signale werden wahrgenommen und verarbeitet, wobei das dynamische Zytoskelett der Zelle eine zentrale Rolle einnimmt. Es reguliert insbesondere grundlegende Eigenschaften wie die mechanische Stabilit ät und Morphologie als auch deren Adaption, wie es in Migrationsprozessen notwendig ist. Kleinste Veränderungen wie die Abweichung des Zytoskeletts von der gewöhnlichen Struktur können somit groÿen Einuss auf das Gesamtverhalten einer Zelle haben. Dies wird besonders oensichtlich bei der Betrachtung von Migrationsph änomenen oder dem Eindringverhalten von Tumorzellen beim Durchqueren eines Zellverbands im Rahmen der Metastasierung. Ein vertieftes Verständnis über die Auswirkungen physikalischer Signale auf das Zytoskelett und die daraus resultierenden Zellreaktionen könnte somit zur Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze beitragen. Aus diesem Grund erscheint es wichtig, die Mechanismen der zellulären Biomechanik zu verstehen. In diesem Zusammenhang wurden in dieser Arbeit maligne Pankreas-Tumorzellen dem Einuss von mechanischen Kräften und verschiedener Oberächentopographien ausgesetzt, um den Einuss des Keratin-Zytoskeletts auf die morphologische Umgestaltung und die Migrationseigenschaften der Zellen zu untersuchen. Durch die Kombination von materialwissenschaftlicher, biophysikalischer und zellbiologischer Methoden zusammen mit einem interdisziplinären Ansatz wurde das induzierte Zellverhalten quantitativ charakterisiet. Die Untersuchung des Migrationsverhaltens und die morphologische Reorientierung des Zellkörpers bei periodischer Dehnung zeigen, dass die Zellen mit einem unveränderten Keratin-Netzwerk auf die ihnen dargelegten physikalischen Signale reagieren. Die Beobachtungen zeigen eine gerichtete Migration entlang topographischer Strukturen oder eine Zellpolarisation senkrecht zur mechanischen Dehnungsrichtung. Die Manipulation des Keratinnetzwerks durch die Behandlung der Pankreas Zellen mit dem Wirksto Sphingosylphosphorylcholin führt zu einer Umstrukturierung des Keratinnetzwerks von der Zellperipherie hin zum Zellkern. Die manipulierten Pankreas Zellen reagieren auf die gleiche physikalische Stimulation mit einem veränderten Zellverhalten. Die Tumorzellen zeigen nun einen höheren Grad der gerichteten Migration auf topographischen Substraten und eine schnellere zellmorphologische Umgestaltung bei den Dehnversuchen. Zusammenfassend zeigen die Analysen, dass die räumliche Ausdehnung und die Struktur des zellulären Keratinnetzwerks einen erheblichen Einuss auf die Migrationseigenschaften entlang von Oberächentopographien und die Zellreaktionen auf periodische mechanische Dehnungen hat. Dieser Einuss könnte möglichweise mit einer stabilisierenden Wirkung des Keratins auf das Aktinnetzwerk und die daraus resultierende Erhaltung der mechanische Zellintegrität erklärt werden.

Translation of abstract (English)

Living cells are extremely sophisticated systems, in which various linked processes take place simultaneously. These processes are regulated by many external extrinsic signals. Cells in the human body are subjected to mechanical forces or to a specic geometry of the environment, both are important signals for a cell. In this context the dynamic cytoskeleton plays a crucial role in many processes like mechanical stability, morphology and cell migration. Even the smallest modication in cells, like variations in the cytoskeleton, can have a deep impact on overall cell reactions. Modications of cytoskeleton elements can eect the velocity of migration or invasion characteristics in metastatic cancer formation. A comprehension of how single cytoskeleton elements and their potential interactions inuence a cells ability to respond to external signals could may help on development of new treatment methods. Therefore it is important to understand fundamental mechanisms of cellular biomechanics. In this context pancreas cells as model system for malignant tumor cells, were subjected to dierent surface topographies and mechanical forces as physical signals. Lithographic, biophysical and cell biology methods were used to explore the impact of the keratin network on migration and morphological alignment in response to the external physical signals. The quantitative determination of migration properties and reorganization processes with an unmodied keratin network reveal that pancreas cells react to these signals. The studies reveal, for example, a directed cell migration along topographic surface cues and a reorientation of cell alignment perpendicular to the direction of periodically applied strain. Manipulations of the keratin network with the bioactive lipid Sphingosylphosphorylcholin induce a reorganization of keratin laments from the cell periphery to the perinuclear region of the cell. Modied pancreas cells show an enhanced response to the same physical signals. The modied pancreas cells react with a higher degree of directed migration along topographic cues and a quicker reorganization of the cell morphology in experiments with cyclic tensile strain. In summary the studies reveal that the structure of cellular keratin network has an important impact on cell migration properties and cells response to surface topography and deformation. This altered behaviour could potentially be explained by a stabilizing eect of the keratin network on actin and cell integrity.