German Title: Biomimetik des Zytoskeletts und Untersuchung von lebendigen Zellen auf als Kraftsensormatrizen fungierenden Mikrosäulen

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Abstract

Micropillar force sensor arrays are produced for biophysical studies of cellular and intracellular mechanics and for the assembly of suspended biofilament networks. Three types of pillars are made: (1) gold capped silicon pillars, (2) epoxy pillars and (3) polydimethylsiloxane (PDMS) pillars. Pillars with diameters of 1 - 5 µm and with a maximum aspect ratio (height : diameter) of 20 : 1 are produced. The pillar heads are selectively functionalised to allow the cultivation of fibroblasts, epithelial cells and heart muscle cells on their tops. Cellular traction forces are determined by measuring the bending of the pillar tops during cell movement. A model system for the actin cortex is produced by crosslinking actin filaments on the pillar heads, with the actin binding protein filamin. Crosslinking experiments are also conducted with divalent cations and with fluorescently labelled myosin II motors. The mechanical properties of single filaments are determined by Fourier analysis of their fluctuations. Transport properties of myosin V motors on the networks are quantified. Microtubule gliding assays in a three dimensional environment are conducted on the pillar tops by coating these with kinesin motors.

Translation of abstract (German)

Zur biophysikalischen Analyse mechanischer Eigenschaften der zellulären und intrazellulären Dynamik, sowie zur Untersuchung von Biofilamentnetzwerken wurden Säulenmatrizen entwickelt. Drei Typen von Substraten wurden hergestellt: (1) Mikrosäulen aus Silizium mit einer Goldscheibe auf den Säulenköpfen, (2) Mikrosäulen aus Epoxy-Polymer und (3) Mikrosäulen aus Polydimethylsiloxan (PDMS). Es wurden Säulen mit einem Durchmesser zwischen 1 - 5 µm und einem Aspektverhältnis (Höhe : Durchmesser) von bis zu 20 : 1 produziert. Durch die selektive Funktionalisierung der Säulenköpfe wurde die Kultivierung von Fibroblasten, Epithelialzellen und Herzmuskelzellen auf den Säulenköpfen ermöglicht. Die durch die Zellen auf die Spitzen der Mikrosäulen ausgeübten Kräfte führen zu deren Biegung. Daraus konnten die ausgeübten Kräfte quantifiziert werden. Auf den Säulensubstraten wurden durch Filamin vernetzte zweidimensionale Netzwerke aus Aktinfilamenten hergestellt. Diese künstlichen Netzwerke dienen als Modellsystem für biophysikalische Untersuchungen des Aktinkortexes von Zellen. Experimente zur Vernetzung von Aktinfilamenten wurden auch mit divalenten Kationen und fluoreszenzmarkierten Myosin II-Motoren durchgeführt. Mittels Fourieranalyse der Fluktuation von Einzelfilamenten, die zwischen zwei Säulenspitzen eingespannt waren, konnten die mechanischen Eigenschaften von Aktin bestimmt werden. Die Transporteigenschaften von Myosin V auf den Netzwerken wurden quantifiziert. Durch die Beschichtung der Säulenköpfe mit Kinesinmotoren wurde das aktive Gleiten von Mikrotubuli auf diesen neuen Oberflächen untersucht.