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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-35604
URL: http://www.opus.ub.uni-erlangen.de/opus/volltexte/2012/3560/
3D Traction Forces in Cancer Cell Invasion
3D Kontraktilität bei der Invasion von Tumorzellen
Koch, Thorsten
| SWD-Schlagwörter: |
| Biophysik , Biomechanik, Videomikroskopie, Kollagen , Zellmigration , Invasion <Biologie> |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): |
| Zellmechanik |
| Freie Schlagwörter (Englisch): |
| biophysics, cellular biomechanics, 3D traction microscopy, cancer cell invasion, collagen |
| Fakultät: |
| Naturwissenschaftliche Fakultät |
| DDC-Sachgruppe: |
| Physik |
| Dokumentart: |
| Dissertation |
| Hauptberichter: |
| Fabry, Ben (Prof. Dr.) |
| Sprache: |
| Englisch |
| Tag der mündlichen Prüfung: |
| 25.09.2012 |
| Erstellungsjahr: |
| 2012 |
| Publikationsdatum: |
| 11.10.2012 |
| Kurzfassung in Englisch: |
| Cell invasion through a dense three-dimensional (3D) matrix is believed to depend on the ability of cells to generate traction forces. To quantify the role of cell tractions during invasion in 3D, we present a technique to measure the elastic strain energy stored in the matrix due to traction-induced deformations. The matrix deformations around a cell were measured by tracking the 3D positions of fluorescent beads tightly embedded in the matrix. The bead positions served as nodes for a finite element tessellation. From the strain in each element and the known matrix elasticity, we computed the local strain energy in the matrix surrounding the cell. We applied the technique to measure the strain energy of highly invasive MDA-MB-231 breast carcinoma and A-125 lung carcinoma cells in collagen gels. The results were compared to the strain energy generated by non-invasive MCF-7 breast, A-427 and A-549 lung carcinoma cells. In all cases, cells locally contracted the matrix. Invasive breast and lung carcinoma cells showed a significantly higher contractility compared to non-invasive cells. Higher contractility, however, was not universally associated with higher invasiveness. For instance, non-invasive A-431 vulva carcinoma cells were the most contractile cells among all cell lines tested. As a universal feature, however, we found that invasive cells assumed an elongated spindle-like morphology as opposed to a more spherical shape of non-invasive cells. Accordingly, the distribution of strain energy density around invasive cells followed patterns of increased complexity and anisotropy. These results suggest that not so much the magnitude of traction generation but their directionality is important for cancer cell invasion. |
| Kurzfassung in Deutsch: |
| Die Migration von Zellen durch dichte extrazelluläre Medien ist ein entscheidender Schritt bei der Invasion von Tumorzellen während der Metastasierung. Dabei spielen die Kräfte, die Zellen während der Migration auf ihre Umgebung ausüben, wahrscheinlich eine wichtige Rolle. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur quantitativen Untersuchung der Kräfte bei der Invasion von Tumorzellen in eine dreidimensionale (3D) extrazelluläre Matrix. Die elastische Verzerrungsenergie der deformierten Matrix ist ein Maß für diese zellulären Kräfte, die Ursache für die Verformung sind. Der Verformungszustand der Matrix kann durch die Verfolgung von fluoreszierenden Markern gemessen werden, die zu diesem Zweck in die Matrix eingebettet sind. Die Markerpositionen dienen als Eckpunkte für eine Tessellation in Finite Elemente. Die Verzerrungsenergie in der Umgebung einer Zelle kann dann mithilfe der Finiten Elemente aus der lokalen Dehnung und den bekannten mechanischen Eigenschaften der Matrix ermittelt werden. Die Methode wurde zur Messung der Verzerrungsenergie von invasiven (MDA-MB-231 Brustkarzinom- und A-125 Lungenkarzinomzellen) und nicht-invasiven Tumorzelllinien (MCF-7 Brustkarzinom-, A-427 und A-549 Lungenkarzinom- und A-431 Vulvakarzinomzellen) in Kollagengelen eingesetzt. Alle Zellen kontrahierten ihre lokale Umgebung. Invasive Brust- und Lungenkarzinomzellen waren signifikant kontraktiler als nicht-invasive Zellen gleichen Ursprungs. Hohe Kontraktilität führte aber nicht notwendigerweise zu gesteigerter Invasivität. So waren nicht-invasive Vulvakarzinomzellen unter den kontraktilsten aller gemessenen Zellen. Die Zellform aller nicht-invasiven Zellen war nahezu kugelig, im Gegensatz zu den invasiven Zellen, die eine langgestreckte, spindelförmige Morphologie zeigten. Der Unterschied in der Zellform spiegelte sich auch in der Verteilung der Verzerrungsenergiedichte in der Umgebung der Zellen wider. Diese folgte einer komplexen anisotropen Verteilung um invasive Zellen, und einer homogeneren und fast isotropen Verteilung um nicht-invasive Zellen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass nicht hohe Kontraktilität alleine, sondern gerichtete Kontraktilität zu erhöhter Invasivität beiträgt. |
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