A light-modulated hydrogel system to analyze cell durotaxic behavior in a dynamic manner

Castro Nava, Arturo; De Laporte, Laura (Thesis advisor); Möller, Martin (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Diese Dissertation berichtet über ein in vitro lichtreagierendes Hydrogelsystem, das, mit Hilfe eines NIR-Lichttriggers, schnell mit räumlicher und zeitlicher Auflösung aktiviert wird. Präzise, zeitlich und benutzerdefinierte mechanische Kräfte (~nN) werden auf eine gezielte Gruppe von Zellen, die auf der Hydrogeloberfläche kultiviert werden, mit verschiedenen Frequenzen und Aktuationszeiten angewendet. Die gewonnenen Erkenntnisse zeigen den Effekt der kontrollierten mechanischen Aktuation auf die Zellmigration, die Kinetik der Mechanosensorproteine, die Induktion der Prä-Osteoblasten-Differenzierung in mesenchymalen Stammzellen (MSC) und die Downregulation von Pluripotenzmarkern in induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) in Kombination mit Differenzierungsfaktoren. Kapitel 1 nennt die Motivation meiner wissenschaftlichen Forschung und gibt einen Überblick über die Dissertation. Darüber hinaus werden die aktuellen Herausforderungen des Stands der Technik beschrieben und wie die erzielten Ergebnisse neue Wege zur Überwindung bestimmter Einschränkungen im Bereich der dynamischen in vitro Zellkultursysteme und der zellulären Mechanotransduktion eröffnen. Kapitel 2 beschreibt den Stand der Technik, indem es sich auf die folgenden Themen konzentriert: i) Hydrogel-Design und ii) reaktionsfähige Polymersysteme. Kapitel 3 beschreibt die Bausteine und Herstellungstechniken, die für die Entwicklung der lichtmodulierten Hydrogelplattform erforderlich sind und legt die Grundlagen für die folgenden Kapitel. Es wird gezeigt, dass ein NIR-Licht-getriggertes Hydrogelsystem ungehindertes Zellwachstum ermöglicht und schnell mit einer räumlich-zeitlichen Auflösung anspricht, was sich letztlich auf die zelluläre Mobilität und die Kinetik der Kerntranslokation des Mechanosensorproteins MRTFA in Mausfibroblasten auswirkt. Kapitel 4 nutzt diese Hybrid-Hydrogel-Plattform und geht einen Schritt weiter, indem MSC mechanisch stimuliert werden. Es wird gezeigt, dass diese subzellulären mechanischen Kräfte Veränderungen in ihrer zellulären Morphologie und Konformation auslösen. Noch wichtiger ist, dass die angewandten Kräfte ohne die Zugabe von biochemischen Faktoren eine Prä-osteoblastische Differenzierung auslösen, sowie eine Kerntranslokation des Mechanosensor-Protein-Transkriptionsfaktors YAP und eine Hochregulierung des osteogenen Markers RUNX2. Kapitel 5 zeigt, wie die Oberflächentopographie des Hydrogelsystems die Kolonieverteilung der iPSC-Cluster beeinflusst. Darüber hinaus wird gezeigt, dass der synergistische Effekt von mechanischen und biochemischen Signalen das iPSC-Schicksal durch die Downregulation der Pluripotenzmarker OCT-4 und NANOG beeinflusst.