Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05

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  • Elastizitätsmessungen an lebenden Zellen mit dem Rasterkraftmikroskop
    7
    Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) Untersuchungen
    an lebenden Zellen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde eine Versuchsanordnung
    aufgebaut, die ein kommerziell erhältliches AFM mit einem invertierten
    optischen Mikroskop kombiniert. Die Anordnung erlaubt es, während der Messung
    Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten, bei denen Zellen über lange
    Zeiträume hinweg überleben.
    Zunächst wurde eine festkörpergestützte Lipidschicht als Modellsystem verwendet,
    um die komplexe Wechselwirkung zwischen AFM-Spitze und Zellmembran zu charakterisieren.
    Daraus ergab sich eine Methode zur ortsaufgelösten Messung elektrostatischer
    Oberflächeneigenschaften.
    Die ersten Experimente an lebenden Zellen dienten der Beantwortung einiger
    grundlegender Fragen zur Bildentstehung an weichen Proben. Dazu zählen die Diskussion
    des verringerten Auflösungsvermögens und die Interpretation des Abbildungsvorgangs.
    Durch Korrelation der AFM-Messungen mit strukturellen Daten in
    Form von Fluoreszenzbildern konnten faserige Strukturen, die häufig in AFM-Bildern
    lebender Zellen auftreten, als Spannungsfasern (Bündel von Aktinfilamenten) identifiziert
    werden.
    Den Hauptteil der Arbeit bilden Elastizitätsmessungen an Zellen, die ebenfalls mit
    Hilfe des AFM durchgeführt wurden. Die lokalen Elastizitätsmoduli einer Probe werden
    dabei aus dem Verlauf von Kraftkurven berechnet. Dieser Berechnung liegt das
    Hertz-Modell für die elastische Eindrückung zweier Körper zugrunde. Einschränkungen,
    die sich ergeben, wenn Voraussetzungen des Modells hinsichtlich Probenbeschaffenheit
    und geometrischer Verhältnisse des Systems nicht erfüllt sind, wurden
    experimentell untersucht und theoretisch diskutiert.
    Um eine Interpretation der Elastizitätsbilder zu ermöglichen, mußte geklärt werden,
    welche Bestandteile den Zellen mechanische Stabilität verleihen. Morphologischen
    Überlegungen zufolge spielt das Zytoskelett die Rolle einer Stützstruktur, die die
    Zellen nicht nur stabilisiert, sondern auch verschiedene Bewegungsvorgänge ermöglicht.
    Durch gezielte Manipulationen konnte gezeigt werden, daß das Aktinnetzwerk,
    eine Komponente des Zytoskeletts, von entscheidender Bedeutung für die Zellelastizität
    ist. In analogen Experimenten wurde festgestellt, daß Mikrotubuli, die ebenfalls
    zum Zytoskelett gehören, keinen Einfluß auf die Stabilität von Zellen haben. Die
    Manipulationen wurden mit Hilfe verschiedener chemischer Wirkstoffe durchgeführt,
    die spezifisch bestimmte Bestandteile des Zytoskeletts angreifen. Dabei konnten
    sogar Unterschiede in den Mechanismen der Wirkstoffeffekte beobachtet werden.
    Eine erste Anwendung fanden diese Resultate bei der Untersuchung kriechender
    Zellen. Dieser Bewegungsvorgang beruht auf koordinierten Umstrukturierungen im
    Aktinnetzwerk und spielt eine entscheidende Rolle z. B. bei der Ausbreitung von
    Krebs, bei der Embryonalentwicklung oder bei Reaktionen des Immunsystems. Mit
    Hilfe von Elastizitätsmessungen an aktiven Lamellipodien kriechender Bindegewebszellen
    wurden Erkenntnisse über den molekularen Mechanismus gewonnen,
    der der Bewegung dieser Zellen zugrunde liegt. Von vier Modellvorstellungen über
    den Ursprung der Kraft, die das Lamellipodium vorwärts schiebt, sind nur zwei mit
    den AFM-Daten konsistent.
    Die Fortsetzung dieser Messungen bilden ähnliche Experimente mit schnell kriechenden
    Keratocyten sowie mit chemotaktisch stimulierten MTLn3-Zellen.
    In einem weiteren Projekt wurde das Quellverhalten der Cuticula untersucht. Die
    Cuticula ist die wachsartige extrazelluläre Schicht an der Oberfläche von Blättern
    hochentwickelter Pflanzen. Sie reguliert den Wasserhaushalt der Pflanzen. Aus dem
    gemessenen Quellverhalten ergaben sich Rückschlüsse auf die Diffusionsrate von
    Wasser durch die Cuticula.
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