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Direct monitoring of drug‐induced mechanical response of individual cells by atomic force microscopy
(2020)
Abstract
Mechanical characteristics of individual cells play a vital role in many biological processes and are considered as indicators of the cells’ states. Disturbances including methyl‐β‐cyclodextrin (MβCD) and cytochalasin D (cytoD) are known to significantly affect the state of cells, but little is known about the real‐time response of single cells to these drugs in their physiological condition. Here, nanoindentation‐based atomic force microscopy (AFM) was used to measure the elasticity of human embryonic kidney cells in the presence and absence of these pharmaceuticals. The results showed that depletion of cholesterol in the plasma membrane with MβCD resulted in cell stiffening whereas depolymerization of the actin cytoskeleton by cytoD resulted in cell softening. Using AFM for real‐time measurements, we observed that cells mechanically responded right after these drugs were added. In more detail, the cell´s elasticity suddenly increased with increasing instability upon cholesterol extraction while it is rapidly decreased without changing cellular stability upon depolymerizing actin cytoskeleton. These results demonstrated that actin cytoskeleton and cholesterol contributed differently to the cell mechanical characteristics.
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.
The giant protein titin performs structure-preserving functions in the sarcomere and is important for the passive stiffness (Fpassive) of cardiomyocytes. Protein kinase D (PKD) enzymes play crucial roles in regulating myocardial contraction, hypertrophy, and remodeling. PKD phosphorylates myofilament proteins, but it is not known whether the giant protein titin is also a PKD substrate. Here, we aimed to determine whether PKD phosphorylates titin and thereby modulates cardiomyocyte Fpassive in normal and failing myocardium. The phosphorylation of titin was assessed in cardiomyocyte-specific PKD knock-out mice (cKO) and human hearts using immunoblotting with a phosphoserine/threonine and a phosphosite-specific titin antibody. PKD-dependent site-specific titin phosphorylation in vivo was quantified by mass spectrometry using stable isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC) of SILAC-labeled mouse heart protein lysates that were mixed with lysates isolated from hearts of either wild-type control (WT) or cKO mice. Fpassive of single permeabilized cardiomyocytes was recorded before and after PKD and HSP27 administration. All-titin phosphorylation was reduced in cKO compared to WT hearts. Multiple conserved PKD-dependent phosphosites were identified within the Z-disk, A-band and M-band regions of titin by quantitative mass spectrometry, and many PKD-dependent phosphosites detected in the elastic titin I-band region were significantly decreased in cKO. Analysis of titin site-specific phosphorylation showed unaltered or upregulated phosphorylation in cKO compared to matched WT hearts. Fpassive was elevated in cKO compared to WT cardiomyocytes and PKD administration lowered Fpassive of WT and cKO cardiomyocytes. Cardiomyocytes from hypertrophic cardiomyopathy (HCM) patients showed higher Fpassive compared to control hearts and significantly lower Fpassive after PKD treatment. In addition, we found higher phosphorylation at CaMKII-dependent titin sites in HCM compared to control hearts. Expression and phosphorylation of HSP27, a substrate of PKD, were elevated in HCM hearts, which was associated with increased PKD expression and phosphorylation. The relocalization of HSP27 in HCM away from the sarcomeric Z-disk and I-band suggested that HSP27 failed to exert its protective action on titin extensibility. This protection could, however, be restored by administration of HSP27, which significantly reduced Fpassive in HCM cardiomyocytes. These findings establish a previously unknown role for PKDin regulating diastolic passive properties of healthy and diseased hearts.