Wolters, Benjamin: Zell-biomechanische Untersuchungen von Modellen des Herzmuskelgewebes. - Bonn, 2016. - Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-43330
@phdthesis{handle:20.500.11811/6750,
urn: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-43330,
author = {{Benjamin Wolters}},
title = {Zell-biomechanische Untersuchungen von Modellen des Herzmuskelgewebes},
school = {Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn},
year = 2016,
month = may,

note = {In der vorliegenden Arbeit wurden Herzmuskelzellen verschiedenen Ursprungs hinsichtlich ihres Calciumsignalverhaltens und der damit einhergehenden Zellkontraktion während der Erregungs-Kontraktionskopplung detailliert charakterisiert. Als Maß dazu diente der zeitliche Versatz zwischen dem Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration und der durch die Zelle ausgeübten Deformation elastischer Silikonkautschuksubstrate. Letztere wurden der physiologischen Gewebesteifigkeit des gesunden Herzmuskels nachempfunden und ermöglichten dadurch die Analyse der Zellen unter naturnahen Bedingungen. Für pränatale Kardiomyozyten konnte gezeigt werden, dass die Kontraktionsfrequenz und der zeitliche Versatz untrennbar miteinander verbunden sind. Zellen mit hoher Kontraktionsfrequenz wiesen stets einen niedrigen Versatz auf, während Zellen mit niedriger Kontraktionsfrequenz länger für die Umsetzung des chemischen Signals in eine mechanische Zellantwort benötigten. Durch die hier entwickelte Software-gestützte Strukturanalyse zytoskelettaler Komponenten konnte gezeigt werden, dass sich die beiden Zellpopulationen hinsichtlich ihrer Zellform und der Ordnung und Orientierung ihrer Myofibrillen stark unterschieden. Schnell kontrahierende Zellen mit niedrigem Versatz waren länglich ausgerichtet und besaßen eine hohe innere Ordnung mit parallel zueinander orientierten Myofibrillen, während langsam schlagende Zellen mit hohem Versatz keine Vorzugsrichtung des Zellkörpers und der Myofibrillen aufwiesen. Eine direkte Abhängigkeit des Signalverhaltens von der Morphologie und der damit eingehenden inneren Ordnung konnte jedoch durch die kontrollierte und reproduzierbare Beeinflussung der Zellgeometrie widerlegt werden. Durch gezielte Separation des embryonalen Herzgewebes konnte vielmehr eine Abhängigkeit zwischen dem Zellursprung und dem Signalverhalten aufgezeigt werden. Dabei erwiesen sich Vorhofzellen als die schnell kontrahierende Zellpopulation mit niedrigem zeitlichen Versatz und Zellen ventrikulären Ursprungs als solche mit niedriger Frequenz und hohem zeitlichen Versatz. Darüber hinaus konnte das Signalverhalten durch Behandlung der beiden Zellpopulationen mit zwei unterschiedlichen Neurotransmittern zum Teil aktiv moduliert werden und gab somit Aufschluss über den zugrundeliegenden cAMP-abhängigen Regulationsmechanismus.
Zusätzlich wurde das Kopplungsverhalten pränataler, kardialer Myozyten in definierten multizellulären Systemen untersucht. Dazu musste zunächst eine Technik zur Anreicherung der Herzmuskelzellen aus einer primären Mischkultur mittels neuartiger Fusionsliposomen etabliert und auf ihre Effizienz hin untersucht werden. Als Alterative zu durchflusszytometrischen Analysen wurde ein fluoreszenzmikroskopisches Verfahren zur automatisierten Bildgebung entwickelt. Zur Auswertung der so erfassten Daten wurde eine makrobasierte Zählroutine programmiert mit der sich die erfolgreiche Anreicherung kardialer Myozyten aus einer Mischkultur nach erfolgter Zelltrennung über eine Trennsäule nachweisen ließ.
Mit den so erhaltenen hochreinen Kardiomyozyten wurden Mikrogewebe unterschiedlicher Größe aufgebaut, die sich zusätzlich in ihrer Zusammensetzung aus atrialen und ventrikulären Zellen unterschieden. Die zuvor vereinzelten Zellen wurden mittels definierter Substratkonditionierung zur kontrollierten Adhäsion gebracht und bildeten nach Ausfüllen der begrenzten Adhäsionsflächen und Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten funktionelle Synzytien, in denen die einzelnen Zellen sowohl elektro-chemisch als auch mechanisch miteinander koppelten. Unabhängig von der Mikrogewebe-Geometrie konnte gezeigt werden, dass sich das Signalverhalten atrialer Zellen zum Teil in den mehrzelligen Verbänden manifestierte, dieses aber nicht vollständig dominierte. Des Weiteren ließ sich für Verbände ventrikulären Zellursprungs eine höhere Kontraktionskraft nachweisen, als für solche gemischter Kardiomyozytenpopulationen.
In einem weiteren Teil der Arbeit wurden die bis hierher entwickelten Methoden eingesetzt, um das Kontraktionsverhalten humaner induziert-pluripotenter Stammzellen-abgeleiteter Kardiomyozyten näher zu untersuchen. Für diese Zellen konnte ebenfalls die charakteristische Korrelation der Kontraktionsfrequenz und des zeitlichen Versatzen nachgewiesen werden. Dies gab Rückschlüsse über die Zusammensetzung der künstlich generierten Herzmuskelzellen und erlaubte die Klassifizierung in Vorhof-artige und Ventrikel-artige Zellen. Auf Basis dieser Vorversuche konnte für die abgeleiteten Zellen eine niedrigere Kontraktionskraft als für Einzelzellen murinen Ursprungs ermittelt werden.},

url = {http://hdl.handle.net/20.500.11811/6750}
}

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