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Cell mechanical properties reveal substantial information on cell state and function. Utilizing mechanics as a label-free biomarker allows for investigation of fundamental cellular processes as well as biomedical applications, e.g., disease diagnosis. High-throughput methods for accessing the elastic properties of cells in suspension from hydrodynamic deformation in a microfluidic constriction are available with real-time analysis rates of up to 1000 cells per second. However, accessing elastic as well as viscous properties of cells and multicellular systems in suspension as well as adhered to surfaces at high throughput has not been possible so far. In this thesis, I approached this question and developed as well as applied microfluidic and holographic technologies to analyze the viscoelastic properties of single cells and multicellular aggregates, respectively. First, I demonstrated that real-time deformability cytometry (RT-DC) can be applied in transfusion medicine, where the highest quality standards have to be maintained while blood product release is time-critical. We showed for platelet and red blood cell concentrates as well as for hematopoietic stem cells that their mechanical properties can be used for label-free quality assessment. The results have been published in Lab on a Chip (Aurich et al. 2020). For RT-DC and many other methods based on hydrodynamic deformation, the constriction size has to be adapted to the objects of interest to allow for a shear-induced deformation. We introduced virtual fluidic channels, which are established by two co-flowing aqueous polymer solutions. Virtual fluidic channels can be precisely adjusted in their cross section, allowing for mechanical phenotyping of single cells as well as cell clusters or tissue spheroids in one microfluidic system. Importantly, measurements can also be performed in standard microfluidic geometries beyond soft lithography, e.g., in the cuvette of a flow cytometer. For cell spheroids as a model system for multicellular aggregates, we show a 10-fold lower Young's modulus of the tissue compared to single-cell mechanics, suggesting cell-cell and cell-matrix interactions being potential contributors to the mechanics of multicellular aggregates. Our work on virtual fluidic channels has been published in Nature Communications (Panhwar et al. 2020). Within this thesis, I expanded the high-throughput elastic phenotyping performed by RT-DC towards viscoelastic cell properties by developing dynamic real-time deformability cytometry (dRT-DC). Dynamic tracking of cells while passing the microfluidic constriction allows to access steady-state (elasticity) and time-dependent (viscosity) material properties for a complete viscoelastic characterization of cells in suspension at high throughput. I introduced a shape mode decomposition based on a Fourier transformation, which allows to disentangle the superimposed stress responses to an extensional stress at the channel inlet and a constant shear stress in the channel. These hydrodynamic stress distributions are present in almost every microfluidic channel geometry. From the separated stress responses, viscoelastic material properties can be determined independent of cell shape. We demonstrated experimentally the sensitivity of dRT-DC to cytoskeletal alterations and confirmed the validity of the method by reference measurements on calibrated hydrogel beads. In our work, we also presented a viscoelastic fingerprint of the major subpopulations of peripheral blood: erythrocytes, granulocytes, and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) (e.g., lymphocytes and monocytes), all characterized by the same method. The technique and the results have been published in Nature Communications (Fregin et al. 2019). In cell mechanical methods based on hydrodynamic deformation, cell shape is usually monitored while a stress is applied. For extraction of material properties as well as for studying shape dynamics, it is essential to describe cell shape yielding highest strain differences for a given microfluidic system and experimental setting. Using dRT-DC, I compared nine different shape descriptors to analyze cell deformation in an extensional as well as shear flow. A relaxation time analysis was performed on different levels of data aggregation from single cells to an ensemble scale. I demonstrated that the steady-state deformation can be predicted from stress response curves without them reaching the steady-state. This is important for cell mechanical measurements in microfluidic systems as the characteristic times are unknown in general and as the channel length is fixed. In addition, by introducing a cut-off criterion for how much of the response trace needs to be captured within the channel, the analysis time per cell can be reduced while material properties can still be extracted. Performing simulations, I compared the accuracy of relaxation times extracted from ensemble and single-cell studies under experimental conditions. Introducing a scoring system to evaluate which combinations of shape descriptors and analysis strategies provide biggest effect size, we concluded that single-cell analyses in an extensional flow are most sensitive to cytoskeletal modifications independent of shape parametrization. The manuscript was submitted to the Biophysical Journal. Finally, I translated the fast non-contact cell mechanical probing from suspension to adherent cells. No such technology has been available and with the majority of cells being adherent, a robust label-free method for mechanophenotyping at high-throughput is required. Within this thesis, I have introduced and realized a new concept: holographic vibration spectroscopy (HVS), where adherent cells are mechanically excited on a vibrating surface while their height oscillations are measured optically. Analysis is done in an interferometric heterodyne setup by using frequency multiplexing and time-averaged holography in off-axis configuration. Based on interference images captured by a high-speed complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) camera, I established a mathematical model to reconstruct the vibration amplitude of adherent cells as well as their retardation phase compared to the exciting vibration. From the amplitude and phase response, viscoelastic parameters can be derived, which have to be investigated in subsequent studies. In summary, I introduced in my work two high-throughput methods for the viscoelastic characterization of suspended as well as adherent cells while highlighting applications in tissue mechanics and transfusion medicine that are relevant not only in basic but also in translational research.

Die unterschiedlichen Behandlungsstrategien bei Verletzungen der Achillessehne werden in Fachkreisen intensiv und teils kontrovers diskutiert. Vor diesem Hintergrund wurde vorliegend eine Exploration der gegenwärtigen Versorgung von Patienten mit Achillessehnenschädigungen angestrebt. Die realisierte Methodik beinhaltete die Entwicklung eines standardisierten Fragebogens, der Items zur entsprechenden Exploration umfasste. Dieser Fragebogen wurde an Krankenhäuser in Deutschland (Fachabteilungen der Bereiche Chirurgie mit Schwerpunkt Unfallchirurgie, Chirurgie mit Schwerpunkt Orthopädie, Orthopädie mit Schwerpunkt Chirurgie, sowie Unfallchirurgie) geleitet. Es konnte ein Fragebogen-Rücklauf von N=112 erzielt werden. Darüber hinaus erfolgte eine Auswertung von Krankenblättern von Patienten mit Achillessehnenrupturen (N=70), die im Johanniter-Krankenhaus in Genthin-Stendal unfallchirurgisch versorgt wurden. Das empirisch gewonnene Datenmaterial wies insbesondere auf eine multimodale Diagnostik bei einem Verdacht auf Achillessehnenruptur hin. Bestätigte Abrisse lagen weit mehrheitlich im mittleren Bereich der Achillessehne vor. Eindeutig dominierten männliche Patienten sowie sportbedingte Rupturen. Häufig waren bereits vor dem Trauma Probleme im Sehnenbereich wie etwa Tendopathien aufgetreten. Die Daten legten einen den Achillessehnenabriss tendenziell begünstigenden Einfluss des Faktors Diabetes nahe. Als Behandlungsmodus bei Achillessehnenverletzungen war weit überwiegend das offene operative Vorgehen gegeben, wobei unter den Nahttechniken insbesondere den Verfahren nach Bunnell und Kirchmayr/ Kessler Bedeutung zukam. Gewisse Potentiale eines primär konservativen, nicht als Regelbehandlung eingesetzten Vorgehens wurden nach den empirischen Daten bei partiellen Rupturen der Achillessehne, namentlich unter der Voraussetzung einer hohen Patienten-Compliance, erkannt. Grundsätzlich dominierte nach den vorliegenden empirischen Daten bei Achillessehnentherapien die operative Strategie, wobei im Vergleich zu früheren Berichten in der Fachliteratur eine gewisse Zunahme der Akzeptanz auch gegenüber einer konservativen bzw. primär noninvasiven Therapie erkennbar war. Unabhängig von der gewählten Behandlungsstrategie bei Achillessehnenverletzungen kann gemäß den empirischen Rückmeldungen die Schlussfolgerung gezogen werden, dass eine zügig eingeleitete und in der Folge sukzessive verstärkte Mobilisierung des Sehnenbereiches in der Rehabilitationsphase dieser Patienten einen hohen Nutzwert hat.

Anhand von in vivo-Experimenten wurde der Einfluss des mitogen wirkenden Schilddrüsenhormons Trijodthyronin (T3) auf die Proliferation von Hepatozyten sowie eine möglich Tumorentstehung hin untersucht. Hierzu wurden zuvor thyreoidektomierten männlichen Lewis Ratten Schilddrüsenfollikel via Portalvene in die Leber transplantiert. NAch 3 Monaten wurden die Tiere getötet und die gewonnenen Lebergewebe immunhistochemisch hinsichtlich des Proliferationsindex mittels Bromodesoxyuridin sowie der Expression von TGF alpha (TGF alpha) und des Epidermal growth factor-receptors (EGF-R) durchgeführt. Nach 3 Monaten waren die Follikel angewachsen und im Abstromgebiet der Transplanatate entstanden glykogenarme, amphophilzellige Leberherde, deren Hepatozyten eine Hyperproliferation zeigten. Die Heatozyten der Leberherde weisen eine verminderte Expression von TGF alpha auf, sodass diesem Wachstumsfaktor in der Entstehung der Leberherde bei diesem Transplantationsmodell keine entscheidenden Rolle zu spielen scheint. Dennoch konnte durch Applikation des Tyrosinkinaseinhibitors Gefitinib, welcher den EGF-R als Rezeptor von TGF alpha blockiert, eine Reduktion der Proliferationsaktivität der Hepatozyten nachgewiesen werden. Dieser Effekt ist am ehesten durch Blockade der dem EGF-R nachgeschalteten intrazellulären Signalwege zurückzuführen, die unabhängig von TGF alpha durch andere Liganden aktiviert werden könnnen. In vitro Experimente an HepG2-Zellen zeigten eine durch T3 bedingte Steigerung der Proliferationsaktivität. Unter Behandlung der Zellen mit Gefitinib verringerte sich die Proliferationsaktivität dosisabhängig. Dieser Effekt konnte bei gleichzeitiger Anwesenheit von T3 noch verstärkt werden und ist mutmaßlich auf eine durch T3 erhöhte EGF-R-Expression der Hepatozyten zurückzuführen. Im Beobachtungszeitraum von 3 Monaten sind keine hepatozellulären Adenome (HCA) oder Karzinome (HCC) entstanden. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Aufklärung der molekularen Grundlagen des Proliferationsverhaltens von Hepatozyten im Kontext der komplexen Entstehunsmechanismen des hepatozellulären Karzinoms.