Charakterisierung zellulärer Kräfte von Mikrogeweben durch Entwicklung eines elastischen, dreidimensionalen Zellkultursystems

Abstract

Zellen sind in einem Organismus eng mit der Extrazellulären Matrix (ECM) verbunden. Die mechanischen Eigenschaften der ECM, wie die Elastizität sowie ihre Topographie sind dabei besonders entscheidend für Epithelzellen. Die mechanische Beschaffenheit der ECM hat Auswirkungen auf essentielle Zellfunktionen, wie die Differenzierung, die Proliferation und die Maturierung aber auch auf die Morphologie der Zellen sowie deren Zytoskelett und dessen kontraktilen Eigenschaften. Für ein tiefgreifendes Verständnis der zellulären Funktionen ist es daher unabdingbar zelluläre Kräfte zu messen und zu quantifizieren. <br /> Um den Einfluss der ECM auf Zellen besser untersuchen zu können, wurden zu diesem Zweck in den letzten Jahren eine Vielzahl dreidimensionaler Zellkultursysteme mit dem Ziel entwickelt die in vivo Situation in vitro möglichst realitätsnah zu reproduzieren. Dabei mangelt es jedoch an Zellkultursystemen, die die dreidimensionale in vivo Umgebung widerspiegeln und gleichzeitig in der Lage sind zelluläre, kontraktile Kräfte zu quantifizieren. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein neuartiges, dreidimensionales Zellkultursystem entwickelt, das Cell Hybrid Elastomer Scaffold System (CHESS). Das System ermöglicht es epitheliale Mikrogewebe zu generieren und kontraktile Zellkräfte innerhalb des Zellverbandes zu messen. CHESS ist ein Elastomer-basiertes Zellkultursystem bestehend aus 24 kreisförmig angeordneten, flexiblen Säulen, die nach unten durch eine weiche Bodenschicht (15 kPa) und nach oben durch einen rigiden Deckel (1,2 MPa) abgeschlossen sind. Durch die Kultvierung von entweder MCF10A Brustdrüsenepithelzellen oder HaCaT Hautepithelzellen in der CHESS-Säulentopographie wurden epitheliale Mikrogewebe um die CHESS-Säulentopographie erzeugt. <br /> Zur Zellkraftmessung wurde bei zellulärer Kraftgenerierung die Verschiebung der flexiblen Säulen mit Hilfe von Markerkugeln mit einer Auflösung im nm-Bereich gemessen. Für die Bestimmung der daraus resultierenden Kraft wurde CHESS mathematisch beschrieben und die Kraftgenerierung von Zellen auf die Säule mit Hilfe der finiten Element Methode simuliert. In vergleichenden Versuchen zeigte sich, dass sowohl MCF10A als auch HaCaT Zellen in der Säulentopographie nur geringe Kräfte generierten. Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zu ermittelten Kräften von Zellen des gleichen Zelltyps auf planaren Substraten. Andere Zelltypen, wie kardiale Myozyten und Myofibroblasten, für die bereits auf planaren Elastomersystemen signifikante Zellkräfte nachgewiesen wurden, bauten vergleichbare Kräfte auch im CHESS-System auf. <br /> Durch immunzytochemische Analysen des Aktin-Zytoskeletts, sowie den damit assoziierten Zell-Zell und Zell-Matrix Kontakten wurde ein Zusammenhang zwischen der Kraftgenerierung und dem Zytoskelett der Zellen herausgestellt. Eine detaillierte Untersuchung der Aktin-assoziierten Zell-Zell und Zell-Matrix Kontakte konnte zunächst eine mechanische Stabilisierung des Mikrogewebes durch Adhärenzverbindungen und Fokaladhäsionen demonstrieren. Durch zytoskeletale Untersuchungen zeigte sich, dass Zellen in der Säulentopographie eine kompakte, runde Zellmorphologie mit kortikal lokalisiertem F-Aktin aufwiesen. Ganz im Gegensatz zu aufgespannten Zellen auf planaren Oberflächen, wurden bei diesen Zellen jedoch keine Stressfasern nachgewiesen. Folglich fehlte den Zellen der elementare Teil des kontraktilen Apparates, was zum Verlust der Zellkraft führte. Dieser Zusammenhang konnte durch die Zellkraftanalyse von Epithelmonolagen auf planaren Substraten bei Anwesenheit von Stressfasern bestätigt werden, da dort Zugkräfte messbar waren. Der Einfluss der Topographie und der Elastizität von CHESS führte folglich zur Bildung epithelialer Mikrogeweben in einem spannungsarmen Zustand.