A concept for the physiological stiffness of a living cell

• Applicant: Professor Dr. Hans Oberleithner
• Subject Area: Anatomy and Physiology
• Term: from 2009 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 146025773

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Das Ziel des Koselleckprojekts war die Entwicklung eines Konzepts zur Mechanik lebender Zellen (Originaltitel: a concept for the physiological stiffness of a living cell). Vor Beginn der Förderung (bis 2009) wußten wir zwar, dass die Mechanik lebender Zellen aus mehreren Komponenten besteht, aber quantitativ waren kaum Daten vorhanden. Deshalb war es damals noch nicht möglich, auf der Basis einzelner qualitativer Beobachtungen ein physiologisches Konzept zur Zellmechanik zu erstellen. Im Laufe der Förderung gelang es, einzelne Schichten der Zelle quantitativ in ihren mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren und diesen Schichten spezifische Funktionen zuzuordnen. In Zusammenarbeit mit medizinischen Grundlagenforschern konnte der Bogen von der Physiologie der Zellmechanik zur Pathophysiologie gespannt werden. Ein starker Fokus wurde auf die mechanischen Eigenschaften der biopolymeren Oberflächenschicht (Glykokalyx) gerichtet und in das physiologische/pathophysiologische Konzept der Zellmechanik aufgenommen. Als physiologisch relevante Eigenschaft einer Zelle wurde die mechanische Adhäsivität (Klebrigkeit) von Zellen untersucht und Methoden entwickelt, die eine Quantifizierung erlauben. Zentraler technischer Ansatz war die Atomic Force Mikroskopie in Kombination mit konfokaler Fluoreszenzmikroskopie. Diese Kombination erlaubte die Quantifizierung der Elastizität einzelner spezifischer Zellkomponenten. Die Arbeiten aus dem Koselleckprojekt haben die differenzielle Zellmechanik als neuen physiologischen/pathophysiologischen Parameter im Feld der biologischen/medizinischen Grundlagenforschung etabliert. Dadurch haben sich neue Perspektiven eröffnet, die gegenwärtig in der Zelltumorforschung (mechanische Interaktion zwischen Tumorzellen) und Gefäßforschung (mechanische Adhäsivität der Gefäßwände) Eingang finden.

Publications

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• (2010). Real‐time monitoring of cell elasticity reveals oscillating myosin activity. Biophys J 99: 3639‐3646
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• (2017). Endothelial basement membrane laminin 511 is essential for shear stress response. EMBO J 36: 183‐201
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• (2017). Endothelial glycocalyx breakdown is mediated by angiopoietin‐2 Cardiovasc Res
  Lukasz A, Hillgruber C, Oberleithner H, Kusche‐Vihrog K, Pavenstadt H, Rovas A, Hesse B, Goerge T, Kumpers P
  
• (2017). Extracellular protonation modulates cell‐cell interaction mechanics and tissue invasion in human melanoma cells. Sci Rep 7: 42369
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