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Cell-migration in two-state micropatterns
Cell-migration in two-state micropatterns
Migrating cells are key players during development and immune response, and also in cancer metastasis. Cells actively adapt their mode of migration to constraints imposed by their microenvironment. To provide standardized and tunable microenvironments for the study of cell organization and migration, micropatterning techniques were developed. Micropatterning allows the controlled deposition of cell-adhesive proteins in defined geometries on a surface while rendering the surrounding areas cell-repellent. The spreading dynamics of cells on micropatterns has previously been successfully modelled and several theoretical models exist for cell migration on homogeneous substrates. In contrast, little is known about the dynamics of cells in confining microenvironments. In particular, it is an open question how the dynamics changes as a function of the geometry of the confinement. In this thesis, I developed an artificial micrometre-scale two-state system for the study of cell migration in confinement. Furthermore, I identified several geometric determinants affecting the migration dynamics and quantified their effect. The micropatterned system consists of two cell-sized adhesion sites at either end of a connecting stripe. MDA-MB-231 human breast cancer cells, and several other cell lines, responded to the dumbbell-like geometry by migrating back and forth between the adhesion sites. The migration can be characterized by direct readouts from the cell trajectories such as accelerations, dwell times and occupation probabilities. In collaboration with the Broedersz group, we found a novel theoretical description for cell migration in confinement that is entirely based on short-timescale readouts. We showed that the cell migration in the two-state micropattern is captured by a stochastic equation of motion consisting of a deterministic and a stochastic term. Both terms were inferred from the data and a good agreement between model prediction and experimental data was found. In particular, we established that highly metastatic MDA-MB-231 breast cancer cells and non-tumourigenic MCF10A breast epithelial cells have distinct deterministic dynamics on two-state patterns with a bridge width of 7.2 μm. The two-state setup was further used to systematically probe the influence of geometrical cues presented to the cells within the micropatterns. Thus, the migration dynamics of cells was found to be sensitive to bridge length and width, adhesion site area and adhesion site orientation. Specifically, the escape rates of cells from differently shaped adhesion sites were determined. For isotropic shapes, it was found that the escape rates linearly depend on adhesion site area only. When adhesion sites extend significantly into the direction orthogonal to the micropattern’s bridge, cell polarisation on the adhesion sites biases occupation probabilities. Consequently, the two-state system is a suitable assay to study cell dynamics as a function of the confining microenvironment. In this particular confinement, cells have to deform in order to transition between the two adhesion sites. As cell lines of different metastatic potential exhibit different dynamic behaviour, the measured escape dynamics may possibly be connected to clinical parameters like invasiveness., Die Hauptakteure in der (Embryonal-)Entwicklung und bei Immunreaktionen, sowie bei Krebsmetastasen sind migrierende Zellen. Zellen passen ihre Art der Migration aktiv den von ihrer mikroskopischen Umgebung gesetzten Randbedingungen an. Um standardisierte und justierbare Mikro-Umgebungen für die Untersuchung von Zellorganisation und -migration bereitstellen zu können, wurden Mikrostrukturierungstechniken entwickelt. Die Mikrostrukturierung erlaubt es, zelladhäsive Proteine in definierten Geometrien an einer Oberfläche anzubinden, während die umgebenden Flächen zellabweisend funktionalisiert werden. Die Spreit-Dynamik von Zellen auf Mikrostrukturen wurde schon zuvor erfolgreich modelliert; und eine Vielzahl an theoretischen Modellen existieren, die die Zellmigration auf homogenen Substraten beschreiben. Im Gegensatz dazu ist wenig über die Dynamik von Zellen in einengenden Geometrien bekannt. Insbesondere ist die Frage, wie sich die Dynamik als Funktion der Geometrie der Einengung verändert, noch unbeantwortet. In dieser Dissertation habe ich ein artifizielles mikrometerskaliges Zweizustandssystem für die Untersuchung der Zellmigration bei Einengung entwickelt. Weiterhin habe ich mehrere geometrische Bestimmungsgrößen identifiziert, die die Migrationsdynamik beeinflussen, und habe ihren Effekt quantifiziert. Das mikrostrukturierte System besteht aus zwei zellgroßen Adhäsionsflächen, die an den beiden Enden eines verbindenden Streifens liegen. Menschliche Brustkrebszellen MDA-MB-231, sowie verschiedene andere Zelllinien, migrieren in dieser Hantelgeometrie zwischen den Adhäsionsflächen hin und her. Die Migration kann durch aus den Zelltrajektorien direkt auslesbare Größen wie Beschleunigungen, Aufenthaltsdauern und Aufenthaltswahrscheinlichkeiten charakterisiert werden. In Kollaboration mit der Arbeitsgruppe Broedersz haben wir eine neuartige theoretische Beschreibung der Zellmigration in beengten Geometrien entwickelt, die ausschließlich auf der Kurzzeitdynamik basiert. Wir haben gezeigt, dass die Zellmigration in Zweizustands-Mikrostrukturen von einer stochastischen Bewegungsgleichung, die aus einem deterministischen und einem stochastischen Term besteht, beschrieben wird. Beide Terme wurden aus den Daten inferiert und eine gute Übereinstimmung zwischen Modellvorhersagen und Experimentaldaten wurde beobachtet. Insbesondere haben wir herausgefunden, dass hochmetastatische MDA-MB-231 Brustkrebszellen und nicht maligne Zellen aus Brustgewebe (MCF10A) auf Zweizustandssystemen mit Brückenbreite 7.2 μm verschiedene deterministische Dynamiken aufzeigen. Das Zweizustandssystem wurde weiterhin genutzt, um systematisch den Einfluss der Geometrie der Mikrostruktur auf die Zellmigration zu studieren. Dabei haben wir herausgefunden, dass die Migrationsdynamik der Zellen sensitiv gegenüber der Brückenlänge und -breite, sowie der Adhäsionsflächengröße und -orientierung ist. Insbesondere wurden die Austrittsraten der Zellen aus Adhäsionsflächen mit verschiedenen Formen bestimmt. Wir haben festgestellt, dass die Austrittsraten für isotrope Formen ausschließlich von der Adhäsionsfläche linear abhängen. Wenn die Adhäsionsflächen eine signifikante, zur Brücke der Mikrostruktur orthogonale, Ausdehnung haben, beeinflusst die Zellpolarisation die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Daraus folgend ist das Zweizustandssystem ein geeigneter Testaufbau um Zelldynamik als Funktion der einengenden mikroskopischen Umgebung zu studieren. In dieser beengten Geometrie müssen Zellen ihre Form verändern um Übergänge zwischen den zwei Adhäsionsflächen zu bewerkstelligen. Da Zelllinien mit unterschiedlichem metastatischem Potential unterschiedliche dynamische Verhalten aufzeigen, kann man potentiell die gemessene Austrittsdynamik mit klinischen Parametern wie Invasivität verbinden.
Micropatterning, Cell Migration, Cell Dynamics, Two-State System, Dumbbell-Like Micropatterns
Fink, Alexandra
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Fink, Alexandra (2020): Cell-migration in two-state micropatterns. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Migrating cells are key players during development and immune response, and also in cancer metastasis. Cells actively adapt their mode of migration to constraints imposed by their microenvironment. To provide standardized and tunable microenvironments for the study of cell organization and migration, micropatterning techniques were developed. Micropatterning allows the controlled deposition of cell-adhesive proteins in defined geometries on a surface while rendering the surrounding areas cell-repellent. The spreading dynamics of cells on micropatterns has previously been successfully modelled and several theoretical models exist for cell migration on homogeneous substrates. In contrast, little is known about the dynamics of cells in confining microenvironments. In particular, it is an open question how the dynamics changes as a function of the geometry of the confinement. In this thesis, I developed an artificial micrometre-scale two-state system for the study of cell migration in confinement. Furthermore, I identified several geometric determinants affecting the migration dynamics and quantified their effect. The micropatterned system consists of two cell-sized adhesion sites at either end of a connecting stripe. MDA-MB-231 human breast cancer cells, and several other cell lines, responded to the dumbbell-like geometry by migrating back and forth between the adhesion sites. The migration can be characterized by direct readouts from the cell trajectories such as accelerations, dwell times and occupation probabilities. In collaboration with the Broedersz group, we found a novel theoretical description for cell migration in confinement that is entirely based on short-timescale readouts. We showed that the cell migration in the two-state micropattern is captured by a stochastic equation of motion consisting of a deterministic and a stochastic term. Both terms were inferred from the data and a good agreement between model prediction and experimental data was found. In particular, we established that highly metastatic MDA-MB-231 breast cancer cells and non-tumourigenic MCF10A breast epithelial cells have distinct deterministic dynamics on two-state patterns with a bridge width of 7.2 μm. The two-state setup was further used to systematically probe the influence of geometrical cues presented to the cells within the micropatterns. Thus, the migration dynamics of cells was found to be sensitive to bridge length and width, adhesion site area and adhesion site orientation. Specifically, the escape rates of cells from differently shaped adhesion sites were determined. For isotropic shapes, it was found that the escape rates linearly depend on adhesion site area only. When adhesion sites extend significantly into the direction orthogonal to the micropattern’s bridge, cell polarisation on the adhesion sites biases occupation probabilities. Consequently, the two-state system is a suitable assay to study cell dynamics as a function of the confining microenvironment. In this particular confinement, cells have to deform in order to transition between the two adhesion sites. As cell lines of different metastatic potential exhibit different dynamic behaviour, the measured escape dynamics may possibly be connected to clinical parameters like invasiveness.

Abstract

Die Hauptakteure in der (Embryonal-)Entwicklung und bei Immunreaktionen, sowie bei Krebsmetastasen sind migrierende Zellen. Zellen passen ihre Art der Migration aktiv den von ihrer mikroskopischen Umgebung gesetzten Randbedingungen an. Um standardisierte und justierbare Mikro-Umgebungen für die Untersuchung von Zellorganisation und -migration bereitstellen zu können, wurden Mikrostrukturierungstechniken entwickelt. Die Mikrostrukturierung erlaubt es, zelladhäsive Proteine in definierten Geometrien an einer Oberfläche anzubinden, während die umgebenden Flächen zellabweisend funktionalisiert werden. Die Spreit-Dynamik von Zellen auf Mikrostrukturen wurde schon zuvor erfolgreich modelliert; und eine Vielzahl an theoretischen Modellen existieren, die die Zellmigration auf homogenen Substraten beschreiben. Im Gegensatz dazu ist wenig über die Dynamik von Zellen in einengenden Geometrien bekannt. Insbesondere ist die Frage, wie sich die Dynamik als Funktion der Geometrie der Einengung verändert, noch unbeantwortet. In dieser Dissertation habe ich ein artifizielles mikrometerskaliges Zweizustandssystem für die Untersuchung der Zellmigration bei Einengung entwickelt. Weiterhin habe ich mehrere geometrische Bestimmungsgrößen identifiziert, die die Migrationsdynamik beeinflussen, und habe ihren Effekt quantifiziert. Das mikrostrukturierte System besteht aus zwei zellgroßen Adhäsionsflächen, die an den beiden Enden eines verbindenden Streifens liegen. Menschliche Brustkrebszellen MDA-MB-231, sowie verschiedene andere Zelllinien, migrieren in dieser Hantelgeometrie zwischen den Adhäsionsflächen hin und her. Die Migration kann durch aus den Zelltrajektorien direkt auslesbare Größen wie Beschleunigungen, Aufenthaltsdauern und Aufenthaltswahrscheinlichkeiten charakterisiert werden. In Kollaboration mit der Arbeitsgruppe Broedersz haben wir eine neuartige theoretische Beschreibung der Zellmigration in beengten Geometrien entwickelt, die ausschließlich auf der Kurzzeitdynamik basiert. Wir haben gezeigt, dass die Zellmigration in Zweizustands-Mikrostrukturen von einer stochastischen Bewegungsgleichung, die aus einem deterministischen und einem stochastischen Term besteht, beschrieben wird. Beide Terme wurden aus den Daten inferiert und eine gute Übereinstimmung zwischen Modellvorhersagen und Experimentaldaten wurde beobachtet. Insbesondere haben wir herausgefunden, dass hochmetastatische MDA-MB-231 Brustkrebszellen und nicht maligne Zellen aus Brustgewebe (MCF10A) auf Zweizustandssystemen mit Brückenbreite 7.2 μm verschiedene deterministische Dynamiken aufzeigen. Das Zweizustandssystem wurde weiterhin genutzt, um systematisch den Einfluss der Geometrie der Mikrostruktur auf die Zellmigration zu studieren. Dabei haben wir herausgefunden, dass die Migrationsdynamik der Zellen sensitiv gegenüber der Brückenlänge und -breite, sowie der Adhäsionsflächengröße und -orientierung ist. Insbesondere wurden die Austrittsraten der Zellen aus Adhäsionsflächen mit verschiedenen Formen bestimmt. Wir haben festgestellt, dass die Austrittsraten für isotrope Formen ausschließlich von der Adhäsionsfläche linear abhängen. Wenn die Adhäsionsflächen eine signifikante, zur Brücke der Mikrostruktur orthogonale, Ausdehnung haben, beeinflusst die Zellpolarisation die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Daraus folgend ist das Zweizustandssystem ein geeigneter Testaufbau um Zelldynamik als Funktion der einengenden mikroskopischen Umgebung zu studieren. In dieser beengten Geometrie müssen Zellen ihre Form verändern um Übergänge zwischen den zwei Adhäsionsflächen zu bewerkstelligen. Da Zelllinien mit unterschiedlichem metastatischem Potential unterschiedliche dynamische Verhalten aufzeigen, kann man potentiell die gemessene Austrittsdynamik mit klinischen Parametern wie Invasivität verbinden.