Molecular analysis of mechanobiological reactions of human mesenchymal stem cells on biomechanical extracelluar cues induced by magnetically actuated microstructures - µMSC
Cell Biology
Final Report Abstract
Abweichend vom geplanten Vorhaben, haben wir zunächst zwei Alternativprojekte bearbeitet, die auf molekularem Niveau, insbesondere durch Analysen zur Fokaladhäsionskinase (FAK) und dem Ko-Transkriptionsaktivator (YAP), in engem Bezug zum eigentlichen Projekt gestanden haben. In einem dieser Alternativprojekte konnten wir im Kontext Zellverhalten die Beteiligung von YAP an der temporal differenziellen Proliferationsregulation von Keratinozytenklonen aufzeigen, die unterschiedliche Stadien der Zelltransformation repräsentieren. Darüber hinaus konnten wir in einem zweiten Projekt eine bisher noch nicht identifizierte Wechselbeziehung zwischen dem YAP und der für die Primäradhäsion von Zellen essenziellen FAK in hMSCs aufzeigen. Die Erkenntnisse aus diesen beiden Alternativprojekten untermauern die Bedeutung des mechanoresponsiven YAPs in der Regulation von Prozessen, welche das Zellverhalten von Primärzellen (hMSCs), aber auch transformierten Zellen (alkohol-exponierte Keratinozytenklone EPI und FIB), regulieren. Im eigentlichen Projekt haben wir eine Methode entwickelt, wie man mikrostrukturierte Oberflächen für das Studium des Zellverhaltens bei mechanischer Manipulation herstellen kann. Das besondere an der entwickelten Methode liegt darin, dass die erzeugten Pfostenstrukturen zum einen magnetisch aktuierbar sind und zum anderen so ausgestattet wurden, dass die Zellen sich nur auf die Kopfflächen der Pfosten setzen und keine Adhäsionspunkte zwischen den Pfosten oder an den Pfostenwänden ausbilden. Dies wurde durch eine genaue Einstellung der Oberflächeneigenschaften der Pfosten durch entweder zellabweisende Hydrogelschichten oder zellfreundliche hydrophobe Ausrüstung möglich. Zum Einsatz kam dabei die Methode der C,H-Insertionsvernetzung (CHic, C,H insertion crosslinking) und zwar sowohl für die Herstellung der Pfostenstrukturen, als auch für die Ausstattung der Oberflächen. Erste molekulare Analysen auf diesen diskret adhäsiven Pfostenstrukturen haben gezeigt, dass eine magnetische Aktuierung nach der Etablierung von hMSCs möglich ist, und dass die Aktuierung mit einer Frequenz von 1Hz und einer durchschnittlichen Pillarauslenkung von 1.5µm ausreicht, um wahrnehmbare Veränderungen in Zellen zu detektieren. In diesem Kontext konnten wir zeigen, dass es Aktuierungs-bedingt zu einer deutlichen Redistribution von FAK und YAP in hMSCs kommt. Diese Redistribution zeigte sich bei FAK in einer lokalen Akkumulation der an Y397 autophosphorylierten Form von FAK an den Zellgrenzen und im Falle von YAP an der deutlich ausgeprägteren Abundanz von YAP im Zellkern. Diese molekularen Zellantworten auf die biomechanische Stimulation der hMSCS durch Aktuierung liefern erste wertvolle Hinweise darauf, dass die Auslenkung von Zellen durch magnetische Aktuierung das Zellverhalten in den Bereichen Primäradhäsion, das heißt, Ausbildung von Fokalkontakten und Proliferation modulieren kann. Ferner erweitern die Erkenntnisse aus dieser Untersuchung das Wissen um die mechanobiologische Zellresponsivität auf molekularer Ebene, und zeigen, dass die in diesem Projekt entwickelten magnetisch aktuierbaren Mikrostrukturen durch ihre diskreten Zell-Adhäsionsgegebenheiten eine geeignete Technologieplattform für weiterführende molekulare Analysen sind.
Publications
- Disruption of adherens junction and alterations in YAP-related proliferation behavior as part of the underlying cell transformation process of alcoholinduced oral carcinogenesis, BBA - Molecular Cell Research 1865 (2018) 209–219
Ayman Husari, Diana Hülter-Hassler, Thorsten Steinberg, Simon Daniel Schulz, Pascal Tomakidi
(See online at https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2017.10.015)
