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Quasi-oscillatory motion of single cells on micropatterns
Quasi-oscillatory motion of single cells on micropatterns
Zellmigration spielt eine grundlegende Rolle bei Prozessen wie Embryogenese, der Immunantwort, Wundheilung und bei der Metastasierung von Krebs. Daher ist der Mechanismus der Zellmigration, insbesondere die Dynamik des Zytoskeletts, Aktinpolymerisierung und Reaktionsdiffusionsprozesse, von großem Interesse für die Lebenswissenschaften. Zellen sind hochkomplexe dynamische Systeme, die ihren Zustand ständig verändern, wodurch sich bestimmte Morphologien und Migrationsmodi ausprägen. Die resultierenden Migrationsmuster werden durch externe Faktoren beeinflusst, die unter klassischen Kulturbedingungen nicht kontrolliert sind. Eine zentrale Herausforderung bei der Untersuchung der Zellmigration ist daher die Entwicklung spezifischer Methoden, um die Wirkung einzelner Parameter, die das Zellverhalten regulieren, untersuchen zu können. Ein möglicher Weg, die Komplexität der Umgebung zu reduzieren, besteht darin, Mikrostrukturierungstechniken zu verwenden um Zellen auf eine definierte Mikroumgebung zu beschränken. Mit solchen Strukturen kann der Freiheitsgrad der Zellbewegung reduziert werden, was es ermöglicht gezielt spezifische Eigenschaften der Zellmigration zu studieren. Darüber hinaus kann man mit Mikrostrukturierungstechnologie Felder von einer großen Anzahl identischer funktioneller Oberflächenstrukturen herstellen und so Hochdurchsatzmessungen durchführen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Studien zu einem neu entdeckten quasi-oszillatorischen Migrationsmodus von Einzelzellen auf kreisförmigen Mikrostrukturen vorgestellt. Wir beobachten persistente polarisierte Zellen und gerichtete Pol-zu-Pol-Bewegungen innerhalb der Strukturen. Die Zellen depolarisieren auf einer Seite der Mikrostuktur, gefolgt von einer verzögerten Repolarisierung in entgegengesetzter Richtung. Weiter wird gezeigt, dass mehrere Zelllinien (z.B. MDCK-, Huh7-, MDA-MB-231-Zellen) diesen oszillierenden Migrationsmodus auf kreis-, ellipsen- und streifenförmigen Mikrostrukturen zeigen. Im Vergleich zu kreisförmigen und elliptischen Strukturen ist das Auftreten von Oszillationen auf Streifen gehäuft feststellbar. Streifen bieten eine ideale und einfache Plattform um neue Migrationsmuster von Zellen und um den molekularen Mechanismus, der der Dynamik des Zytoskeletts zugrunde liegt, zu studieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit analysieren wir das Zellverhalten mit Hilfe der räumlichen Geschwindigkeitsverteilung und dem Frequenzspektrum der Bewegung. Die experimentellen Daten werden mit einem zellulären Potts-Modell verglichen, das ein minimales mechanistisches Modell des dynamischen Zytoskeletts enthält. Insbesondere betrachten wir die Dauer des Umkehrprozesses als Maß für die Dauer spontaner Repolarisierung von Zellen und für die Zeit, die das führende Lamellipodium benötigt um sich am Ende des Streifens zurück zu bilden. Mit LifeAct-GFP transfizierten Zellen und Streifen mit unterschiedlich geformten Enden lassen sich Veränderungen im Verhalten an den Enden beobachten. Dies zeigt, dass die Form der Streifenenden und damit die lokale Krümmung der Zellfront Einfluss auf die Aktinpolymerisation hat. Diese Arbeit zeigt, dass Streifen für die quantitative Untersuchung von Zellmigration nützlich sind und dass erweiterte zelluläre Potts-Modelle mit einfachen mechanistischen Regeln die unterschiedlichen Migrationsphänotypen von Zellen in einer beengten Umgebung erfassen können., Cell migration plays a fundamental role in processes such as embryogenesis, immune response, wound healing and cancer metastasis. Hence the mechanisms of cell migration in particularly cytoskeleton dynamics, actin assembly, and reaction diffusion processes have received great interest in life science. Cells are highly complex dynamic systems that constantly alter their states, which leads to emerging morphologies and migratory modes. The resulting migration patterns are influenced by external cues, which are uncontrolled under classic culture conditions. Thus, a key challenge of studying cell migration is the design of specific methods to disentangle the effect of separate parameter regulating cellular behavior. A possible way to reduce the complexity of the environment is to confine cells to a defined external microenvironment by applying micropatterning techniques. Using these geometries, the degree of freedom of the cell motion can be reduced, which allows selectively studying specific characteristics of cell migration. Moreover, micropatterning technology can realize large-scale arrays of functional surface coatings, so that high throughput measurements can be obtained. In the first part of this work, studies on a newly discovered quasi-oscillatory migration mode of single cells on isotropic circular-micropatterns are presented. We observe persistent polarized cell shapes and directed pole-to-pole motion within the patterns. Cells depolarize at one side of the given micropattern, followed by delayed repolarization progressing towards the opposite side. We then show that several cell lines (e.g. MDCK, Huh7, MDA-MB-231 cells) exhibit the oscillatory migration mode on circular-shaped, ellipse-shaped, and stripe-shaped micropatterns respectively. Compared to circular and ellipse patterns, stripe-shaped microlanes enhance the occurrence of oscillations. Microlanes provide an ideal and simple platform for the exploration of emerging migration patterns of cells and the molecular mechanisms underlying cell cytoskeleton dynamics. In the second part of this work, we analyze cell motility by the spatial velocity distribution and frequency spectrum. The experimental data are compared to a Cellular Potts model that includes a minimal mechanistic model of the dynamical cytoskeleton. In particular, we evaluate the “reversal time” as a measure for spontaneous repolarization of cells as well as the time required to quench the leading lamellipodium at the microlane ends. Using LifeAct-GFP transfected cells and microlanes with differently shaped geometric ends, we found distinct scenarios at the leading edge showing that the tip geometry and hence the local deformation of the leading edge has an effect on actin polymerization. This work shows that microlanes are useful for quantitative assessment of cell migration and that extended Cellular Potts models with simple mechanistic rules capture the distinct migration phenotypes in confinement.
Not available
Zhou, Fang
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Zhou, Fang (2019): Quasi-oscillatory motion of single cells on micropatterns. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Zellmigration spielt eine grundlegende Rolle bei Prozessen wie Embryogenese, der Immunantwort, Wundheilung und bei der Metastasierung von Krebs. Daher ist der Mechanismus der Zellmigration, insbesondere die Dynamik des Zytoskeletts, Aktinpolymerisierung und Reaktionsdiffusionsprozesse, von großem Interesse für die Lebenswissenschaften. Zellen sind hochkomplexe dynamische Systeme, die ihren Zustand ständig verändern, wodurch sich bestimmte Morphologien und Migrationsmodi ausprägen. Die resultierenden Migrationsmuster werden durch externe Faktoren beeinflusst, die unter klassischen Kulturbedingungen nicht kontrolliert sind. Eine zentrale Herausforderung bei der Untersuchung der Zellmigration ist daher die Entwicklung spezifischer Methoden, um die Wirkung einzelner Parameter, die das Zellverhalten regulieren, untersuchen zu können. Ein möglicher Weg, die Komplexität der Umgebung zu reduzieren, besteht darin, Mikrostrukturierungstechniken zu verwenden um Zellen auf eine definierte Mikroumgebung zu beschränken. Mit solchen Strukturen kann der Freiheitsgrad der Zellbewegung reduziert werden, was es ermöglicht gezielt spezifische Eigenschaften der Zellmigration zu studieren. Darüber hinaus kann man mit Mikrostrukturierungstechnologie Felder von einer großen Anzahl identischer funktioneller Oberflächenstrukturen herstellen und so Hochdurchsatzmessungen durchführen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Studien zu einem neu entdeckten quasi-oszillatorischen Migrationsmodus von Einzelzellen auf kreisförmigen Mikrostrukturen vorgestellt. Wir beobachten persistente polarisierte Zellen und gerichtete Pol-zu-Pol-Bewegungen innerhalb der Strukturen. Die Zellen depolarisieren auf einer Seite der Mikrostuktur, gefolgt von einer verzögerten Repolarisierung in entgegengesetzter Richtung. Weiter wird gezeigt, dass mehrere Zelllinien (z.B. MDCK-, Huh7-, MDA-MB-231-Zellen) diesen oszillierenden Migrationsmodus auf kreis-, ellipsen- und streifenförmigen Mikrostrukturen zeigen. Im Vergleich zu kreisförmigen und elliptischen Strukturen ist das Auftreten von Oszillationen auf Streifen gehäuft feststellbar. Streifen bieten eine ideale und einfache Plattform um neue Migrationsmuster von Zellen und um den molekularen Mechanismus, der der Dynamik des Zytoskeletts zugrunde liegt, zu studieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit analysieren wir das Zellverhalten mit Hilfe der räumlichen Geschwindigkeitsverteilung und dem Frequenzspektrum der Bewegung. Die experimentellen Daten werden mit einem zellulären Potts-Modell verglichen, das ein minimales mechanistisches Modell des dynamischen Zytoskeletts enthält. Insbesondere betrachten wir die Dauer des Umkehrprozesses als Maß für die Dauer spontaner Repolarisierung von Zellen und für die Zeit, die das führende Lamellipodium benötigt um sich am Ende des Streifens zurück zu bilden. Mit LifeAct-GFP transfizierten Zellen und Streifen mit unterschiedlich geformten Enden lassen sich Veränderungen im Verhalten an den Enden beobachten. Dies zeigt, dass die Form der Streifenenden und damit die lokale Krümmung der Zellfront Einfluss auf die Aktinpolymerisation hat. Diese Arbeit zeigt, dass Streifen für die quantitative Untersuchung von Zellmigration nützlich sind und dass erweiterte zelluläre Potts-Modelle mit einfachen mechanistischen Regeln die unterschiedlichen Migrationsphänotypen von Zellen in einer beengten Umgebung erfassen können.

Abstract

Cell migration plays a fundamental role in processes such as embryogenesis, immune response, wound healing and cancer metastasis. Hence the mechanisms of cell migration in particularly cytoskeleton dynamics, actin assembly, and reaction diffusion processes have received great interest in life science. Cells are highly complex dynamic systems that constantly alter their states, which leads to emerging morphologies and migratory modes. The resulting migration patterns are influenced by external cues, which are uncontrolled under classic culture conditions. Thus, a key challenge of studying cell migration is the design of specific methods to disentangle the effect of separate parameter regulating cellular behavior. A possible way to reduce the complexity of the environment is to confine cells to a defined external microenvironment by applying micropatterning techniques. Using these geometries, the degree of freedom of the cell motion can be reduced, which allows selectively studying specific characteristics of cell migration. Moreover, micropatterning technology can realize large-scale arrays of functional surface coatings, so that high throughput measurements can be obtained. In the first part of this work, studies on a newly discovered quasi-oscillatory migration mode of single cells on isotropic circular-micropatterns are presented. We observe persistent polarized cell shapes and directed pole-to-pole motion within the patterns. Cells depolarize at one side of the given micropattern, followed by delayed repolarization progressing towards the opposite side. We then show that several cell lines (e.g. MDCK, Huh7, MDA-MB-231 cells) exhibit the oscillatory migration mode on circular-shaped, ellipse-shaped, and stripe-shaped micropatterns respectively. Compared to circular and ellipse patterns, stripe-shaped microlanes enhance the occurrence of oscillations. Microlanes provide an ideal and simple platform for the exploration of emerging migration patterns of cells and the molecular mechanisms underlying cell cytoskeleton dynamics. In the second part of this work, we analyze cell motility by the spatial velocity distribution and frequency spectrum. The experimental data are compared to a Cellular Potts model that includes a minimal mechanistic model of the dynamical cytoskeleton. In particular, we evaluate the “reversal time” as a measure for spontaneous repolarization of cells as well as the time required to quench the leading lamellipodium at the microlane ends. Using LifeAct-GFP transfected cells and microlanes with differently shaped geometric ends, we found distinct scenarios at the leading edge showing that the tip geometry and hence the local deformation of the leading edge has an effect on actin polymerization. This work shows that microlanes are useful for quantitative assessment of cell migration and that extended Cellular Potts models with simple mechanistic rules capture the distinct migration phenotypes in confinement.