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The Atomic Force Microscope (AFM) has become an important tool for probing the mechanical properties of cells and microparticles by force-indentation experiments. In this thesis optimized AFM approaches for these experiments are developed and applied to three types of living human cells in order to answer biologically relevant questions about their mechanics. These microscopic investigations are then interpreted with respect to nanoscopic and macroscopic biologic parameters, such as the function of cell surface receptors or the size of human heart ventricles. This thesis comprises two physical/technical chapters and three medical/biological chapters. The physical/technical chapters discuss the measurement process itself, aiming for its improvement with respect to a proper data analysis and contact model (for spherical cells). The medical/biological chapters investigate the elasticity of cells by the use of optimized AFM approaches, with respect to the used data analysis.
Free radicals are known to induce significant structural and functional modifications to the cell membrane and its components. Biophysical quantification of such changes using single molecule studies highlight the role of these individual biomolecules. In this PhD work, we focus on nitric oxide radical and try to understand how they influence interaction of different biomolecules with lipid membranes by using biomimetic systems. In specific we try to answer how cell membrane permeability and bilayer thickness would be influenced by the nitric oxide radical with different phospholipids compositions (i.e. on planar supported lipid bilayers). Later we tested, interaction of transmembrane protein integrin αiibβ3 incorporated into the bilayer (i.e. nanodiscs) with nitric oxide. Finally, how to overcome the negative effects encountered by the phospholipids and proteins using biopolymer coated gold nanoparticles as delivery system. The study involved use of atomic force microscopy and quartz-crystal microbalance with dissipation as primary investigation tools complemented with other relevant biophysical and biochemical techniques.
Die dilatative Kardiomyopathie (DCM) ist eine Herzmuskelerkrankung, die durch eine Einschränkung der kardialen Funktion bei gleichzeitiger Erweiterung eines (zumeist des linken) oder beider Ventrikel charakterisiert ist. Der Krankheit können verschiedene Ursachen zugrunde liegen. Störungen in der humoralen Immunität, mit der Bildung von Autoantikörpern, stehen im Zusammenhang mit der Entwicklung der DCM. Es konnten bereits verschiedenste kardiale Autoantikörper im Plasma von DCM Patienten nachgewiesen werden. Diese Autoantikörper können mit ihrem Fab-Teil an das Antigen binden und gleichzeitig, so wird angenommen, mit ihrem Fc-Teil den FcγRII, dessen Expression auf Rattenkardiomyozyten gezeigt wurde, quervernetzen, wodurch es zur Induktion eines negativ inotropen Effektes kommt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Interaktion von FcγRII-Antikörpern mit Rattenkardiomyozyten untersucht und wie sich diese auf die mechano-dynamischen Eigenschaften der Zellen auswirkt. Im ersten Schritt wurde mit Hilfe der Quarz-Kristall-Mikrowaage mit Dissipationsaufzeichnung (QCM-D) untersucht, ob anti-FcγRII-Antikörper an isolierte Kardiomyozyten von Ratten binden. Zunächst wurden Bindungsstudien mit dem zu untersuchenden anti-FcγRII-Antikörper und transfizierten humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt, die den FcγRII in hoher Zelldichte auf der Zelloberfläche exprimieren. Nach erfolgreicher Etablierung des Assays konnte im Anschluss gezeigt werden, dass die anti-FcγRII-Antikörper auch an Rattenkardiomyozyten binden. Dies weist darauf hin, dass Kardiomyozyten möglicherweise den FcγRII auf ihrer Zelloberfläche exprimieren, wie bereits 2007 von Staudt et al. beschrieben wurde. In einem zweiten Ansatz, wurde die Mechanodynamik (Steifheit und Schlagfrequenz) von Kardiomyozyten in Gegenwart von anti-FcγRII-Antikörpern mittels des Rasterkraftmikroskops (AFM) untersucht. Die Inkubation von Rattenkardiomyozyten mit anti-FcγRII-Antikörpern führte zu einer signifikanten Versteifung der Zellen. Zudem zeigte sich, dass die anti-FcγRII-Antikörper nach der Blockierung der spezifischen Bindung an Kardiomyozyten durch Kontroll-IgG keinen Einfluss mehr auf die Zellversteifung haben. Eine biologisch relevante Änderung in der Schlagfrequenz konnte jedoch nach Inkubation der Kardiomyozyten mit den anti-FcγRII-Antikörpern nicht nachgewiesen werden. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals mittels QCM-D nachgewiesen werden, dass anti-FcγRII-Antikörper möglicherweise über eigenständige Rezeptoren an Kardiomyozyten binden. Die Bindung dieser Antikörper führt zu einer Zunahme der Zellsteifigkeit isolierter Kardiomyozyten. Dieser Befund könnte auf einen neuen pathophysiologisch relevanten Wirkungsmechanismus kardialer Autoantikörper hinweisen, der für die Pathogenese der DCM von Bedeutung ist.