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Mimicking the cellular environment: effects of elastic nanopatterned substrates on integrin-mediated cellular interactions


Louban,  Ilia
Cellular Biophysics, Max Planck Institute for Medical Research, Max Planck Society;

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Louban, I. (2009). Mimicking the cellular environment: effects of elastic nanopatterned substrates on integrin-mediated cellular interactions. PhD Thesis, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Heidelberg. doi:10.11588/heidok.00010342.

Cite as: https://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0010-3C7B-0
In this work, the influence of environmental parameters on cellular behavior has been investigated. Therefore, an artifcial substrate system, according to the biophysical and biochemical properties of the extracellular matrix in connective tissues, has been developed. The Young’s moduli E of poly(ethylene glycol)-diacrylate (PEG-DA) substrates span more than four orders of magnitude (0.6 kPa < E < 6 MPa). Since PEG-DA substrates are protein repellent, they were decorated by quasi hexagonally ordered, extended gold nanoparticle arrays, manufactured by block copolymer micellar nanolithography (BCMN). To provide bioactivity in terms of cell adhesion c(RGDfK) peptide, which is specific for alphaV beta3 integrins, was immobilized on the nanoparticles. The interparticle spacing and, hence, spacing of integrin binding sites L could be precisely tuned, independently of the substrate rigidity, between 20 nm and 160 nm. We investigated the behavior of fibroblasts as a function of changes within this two-dimensional parameters space (L; E ). To this end, cell spreading area and cell-substrate interaction forces were determined by phase contrast microscopy and single cell force spectroscopy (SCFS), respectively. The experiments revealed two tactile set points, thresholds in cellular sensing behavior, at E = 8 kPa and L = 70 nm, after 6, 12, and 24 hours of adhesion, respectively. Moreover, according to the hierarchical phase model in cellular behavior, elasticity was identified to be the dominant parameter in cellular sensing processes. Thus, this work provides an important contribution to the understanding of cell-cell and cell-matrix adhesion.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Reaktion von Zellen auf sich verändernde Umwelteinflüsse. Um dies zu untersuchen, wurde ein Substratsystem entwickelt, dessen biomechanische und biochemische Eigenschaften deren der extrazellulären Matrix des Bindegewebes entsprechen. Die verwendeten Substrate basieren auf Polyethylenglykol-Diakrylat (PEG-DA), dessen Elastizität E innerhalb von vier Größenordnungen variiert werden kann (0.6 kPa < E < 6 MPa). Auf ihrer Oberfläche wurden mit Hilfe der Block-Copolymer-Nanolithographie Goldnanopartikel gezielt in den Abständen L (20 nm < L < 160 nm) angeordnet. Um die Adhäsion der Zellen zu ermöglichen, wurden die Partikel mit dem c(RGDfK) Peptid funktionalisiert, welches die Anbindung der Zellen durch Integrine gewährleistet. Das Verhalten von Fibroblasten wurde als Funktion der Substratelastizität sowie des Abstandes der Nanopartikel ( L; E ) untersucht. Die Interaktionszeit der Zellen mit den Substraten betrug sechs, zwölf, bzw. 24 Stunden. Als Reaktion wurde die zellulären Flächen mit Phasenkontrastmikroskopie sowie die Adhäsionskraft mit Kraftspektroskopie quantifiziert. Die Experimente zeigten, dass ein Schwellwert in der zellulären Reaktion bezüglich der Substratelastizit¨at (E = 8 kPa), sowie ein anderer bezüglich des Abstands der Bindungsstellen (L = 70 nm) existiert. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Fähigkeit der Zellen die mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung wahrzunehmen, das ”Mechanosensing”, die dominante Komponente im zellulären Verhalten ist. Diese Erkenntnis trägt demzufolge entscheidend zum besseren Verständnis der Zell-Zell und derZell-Matrixinteraktion bei.