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Dynamik, Biomechanik und Plastizität des Aktinzytoskeletts in migrierenden B16/F1 GFP-Aktin Melanomzellen in 2D und 3D extrazellulärer Matrix

Dynamic, biomechanics and plasticity of the actin cytoskeleton in migrating B16/F1 GFP-actin mouse melanoma cells in 2D and 3D extracellular matrix

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-25689
  • Die Anpassung des Aktinzytoskeletts an extrazelluläre Gewebsstrukturen ist Voraussetzung für die Interaktion mit der extrazellulären Matrix und für die Zellbewegung, einschließlich der Invasion und Metastasierung von Tumorzellen. Wir untersuchten bei invasiven B16/F1 GFP-Aktin Mausmelanomzellen, ob und wie sich Zellform, Art und Effizienz der Bewegung an physikalisch unterschiedlich beschaffene kollagenöse Umgebungen anpassen: 1) mit Kollagen-Monomeren beschichtete 2D Objektträger, 2) 2D Oberfläche einer fibrillären Kollagenmatrix und 3)Die Anpassung des Aktinzytoskeletts an extrazelluläre Gewebsstrukturen ist Voraussetzung für die Interaktion mit der extrazellulären Matrix und für die Zellbewegung, einschließlich der Invasion und Metastasierung von Tumorzellen. Wir untersuchten bei invasiven B16/F1 GFP-Aktin Mausmelanomzellen, ob und wie sich Zellform, Art und Effizienz der Bewegung an physikalisch unterschiedlich beschaffene kollagenöse Umgebungen anpassen: 1) mit Kollagen-Monomeren beschichtete 2D Objektträger, 2) 2D Oberfläche einer fibrillären Kollagenmatrix und 3) Zellen, die in einer 3D Kollagenmatrix eingebettet waren. Zur Darstellung des Aktinzytoskeletts wurden Zellen eingesetzt, die GFP-Aktin Fusionsprotein exprimierten, und mittels Zeitraffer-Videomikroskopie und Konfokalmikroskopie untersucht. Im direkten Vergleich waren Struktur und Dynamik des Aktinzytoskelett wie auch Zellform und Art der Migration unterschiedlich in den verschiedenen Umgebungen. Auf 2D planer Oberfläche erfolgte eine rasche Adhäsion und Abflachung der Zellen (Spreading) mit nachfolgender Migration mit Bildung fokaler Adhäsionszonen, in die kabelartige Aktinstrukturen (Stress fibers) einstrahlten. Dagegen entwickelte sich in 3D Kollagenmatrices eine spindelförmige, fibroblastenähnliche Zellform (mesenchymal) mit zylindrischen fingerförmigen vorderen Pseudopodien, die Zug der Zelle nach vorne bewirken und hochdynamisches polymeres Aktin, nicht jedoch Stress Fibers enthielten. Eine ähnliche Zellform und Struktur des Zytoskeletts entwickelte sich in Zellen auf 2D fibrillärem Kollagen. Die Kontaktfindung und Migrationseffizienz auf oder in fibrillären Matrices war im Vergleich zu 2D kollagenbeschichteter Oberfläche erschwert, die Migrationseffizienz verringert. In Kontrollversuchen wurden Migration und polarisierte Bildung von Aktindynamik durch Inhibitoren des Aktinzytoskeletts (Cytochalasin D, Latrunculin B, Jasplakinolide) stark gehemmt. Diese Befunde zeigen , dass die Struktur und Dynamik des Aktinzytoskeletts sowie die Art der Migration in Tumorzellen stärker als bisher angenommen durch die umgebende Kollagenstruktur bestimmt wird. Während 3D Kollagenmatrices in vivo ähnliche bipolare Zytoskelettstruktur fördern, müssen Abflachung der Zellen mit Bildung von Stress Fibers als spezifische Charakteristika von 2D Modellen angesehen werden.show moreshow less
  • The dynamics and the adaptation of the actin cytoskeleton in response to extracellular matrix structures is the prerequisite for cell polarisation, shape change, and migration, including the invasion and metastasis of tumor cells. In invasive B16-mouse melanoma cells expressing GFP-actin fusion protein we directly imaged cytoskeletal dynamics, adaptation and movement in response to physically different collagen substrata using time-lapse videomicroscopy and confocal microscopy: 1) cells on 2D surfaces coated with monomeric collagen, 2) 2DThe dynamics and the adaptation of the actin cytoskeleton in response to extracellular matrix structures is the prerequisite for cell polarisation, shape change, and migration, including the invasion and metastasis of tumor cells. In invasive B16-mouse melanoma cells expressing GFP-actin fusion protein we directly imaged cytoskeletal dynamics, adaptation and movement in response to physically different collagen substrata using time-lapse videomicroscopy and confocal microscopy: 1) cells on 2D surfaces coated with monomeric collagen, 2) 2D surfaces composed of fibrilliar collagen, and 3) cells which were embedded in 3D collagen matrices. In directly comparision the structure and dynamic of the actin cytoskeleton, cell shape and migration efficiency were different between the different collagen substrata. On 2D monomeric collagen quick cell adhesion, spreading, and cell flattening were followed by migration driven by focal contacts in which cable like actin structures (stress fibres) inserted. In 3D collagen matrices however, cells developed a spindle like (mesenchymal) shape with cylindrical finger-like pseudopods which generated the forward-driving force towards collagen fibres. These pseudopods contained dynamic polymerized actin yet lacked stress fibres. A similar mesenchymal cell shape and structure of the actin cytosceleton that lacked stringent focal contacts and stress fibres developed on 2D fibrilliar collagen matrices. The migration efficiency in 3D collagen was significantly lower, compared to 2D substrata, suggesting an impact of matrix barriers on the migration velocity. Both, actin polymerization and migration were severely impaired by inhibitors of the actin cytoskeleton (Cytochalasin D, Latrunculin B, Jasplakinolide), causing cell rounding and oscillatory “running on the spot”. These findings show the dynamics of the actin cytoskeleton in living melanoma cells critically dependent on and respond to the physical structure of the ECM. 3D collagen matrices hence favour in vivo-like cell shape and cytoskeletal organization while flat cell spreading and formation of stress fibres are specific cell characteristics of cells on 2D.show moreshow less

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Metadaten
Author: Josefine Starke
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-25689
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Klinik und Poliklinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie
Date of final exam:2007/12/20
Language:German
Year of Completion:2007
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
GND Keyword:Aktin; Actin; Actin-bindende Proteine; Actin-Filament; Melanom; Dynamik; Biomechanik; Plastizität; Plastizität <Physiologie>; Tumor; Dermato
Tag:2D; 3D; Fascin; Konfokalmikroskop; extrazelluläre Matrix
actin; cell migration; collagen; extracellular matrix; melanom
Release Date:2008/01/09
Advisor:Prof. Dr. med. Ph. D. (CDN Peter Friedl