Cellular fate is strongly determined by the mechanical cues arising from cell-cell and cell-extracellular matrix interactions. Cells have the ability to sense and translate these environmental cues by distinct cellular compartments – mechanosensors – into biochemical signals, which elicit and/or alter certain cellular functions. However, how these signals are synergized and interpreted by the cell is still largely unknown. In vitro, experimental approaches aim to uncover the underlying cellular mechanisms in a reductionist manner. They recapitulate a defined set of passive and/or dynamically changing physical signals that are inherent to the surroundings in order to decipher the corresponding cellular behavior.

In this doctoral work, we expand the repertoire of the currently available biophysical tools with a substrate-based functional imaging platform. The developed multichannel imaging system is equipped with a novel focusing method, which enables real-time compensation of stretch-induced substrate-deformation and captures the cellular response to tensile stretching in a time-controlled manner. In the first project, we demonstrate its potential power by establishing a dynamic traction force assay and reveal strain rate dependent cytoskeletal force generation and its relaxation, and strain transfer to the nucleus.

The second project examines the potential mechanical contribution of the commonly used protein-coatings to the bulk mechanical properties of the substrate by exploiting the stretching system as a mechanoprofiling tool. We uncover significant protein-specific tensile mechanical properties of collagen- and fibronectin coatings. Moreover, we demonstrate its artefactual relevance especially in studies where cellular behavior is inferred from substrate deformation.

In the last project, we investigate the relationship between metastatic potential and cell stiffness assessed by a set of cell-mechanoprofiling techniques including our stretching platform. Although cell stiffness is considered to be a potential biomarker for the detection of pathological changes, the study concludes that there is a need for a multi-modal assessment of the cell mechanics to provide a more complete picture of the cellular health state.

Das Schicksal einer Zelle wird stark von mechanischen Reizen bestimmt, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen Zellen und zwischen einer Zelle und der extrazellulären Matrix ergeben. Zellen haben die Fähigkeit diese Umwelteinflüsse durch Mechanosensoren zu erfassen und in biochemische Signale umzuwandeln, welche dann eine gewisse Zellfunktion auslösen und/oder verändern. Wie diese Signale von der Zelle vereint und interpretiert werden ist jedoch noch weitgehend unbekannt. Experimentelle Ansätze in vitro zielen darauf ab, den zugrundeliegenden Mechanismus auf reduktionistische Weise aufzudecken. Dabei wird ein definiertes Set physikalischer Signale rekapituliert, die der Zellumgebung inhärent sind und die entsprechende Zellreaktion entschlüsselt.

In dieser Doktorarbeit erweitern wir das Repertoire der derzeit verfügbaren biophysikalischen Werkzeuge um eine substratbasierte, funktionale Imaging-Plattform. Das entwickelte Mehrkanal-Bildgebungssystem ist mit einer neuartigen Fokussierungsmethode ausgestattet, die eine Echtzeitkompensation der streckungsinduzierten Substratdeformation ermöglicht und die zelluläre Reaktion auf die Zugdehnung zeitgesteuert erfasst. Im ersten Projekt demonstrieren wir seine potentielle Anwendungsstärke indem wir einen dynamischen Zugkraft-Assay etablieren und damit die spannungsabhängige Krafterzeugung des Zytoskeletts, deren Relaxation sowie die Spannungsübertragung auf den Zellkern aufdecken.

Das zweite Projekt untersucht den möglichen mechanischen Beitrag der gebräuchlichen Proteinbeschichtungen zu den gesamten mechanischen Eigenschaften des Substrats. Dafür wir ein Dehnungssystem als mechanisches Profilierungswerkzeug genutzt. Wir identifizieren signifikante und proteinspezifische Zugfestigkeitseigenschaften von Kollagen- und Fibronektinbeschichtungen. Darüber hinaus belegen wir deren artefaktische Relevanz insbesondere in Studien, wo das zelluläre Verhalten aus der Verformung des Substrats abgeleitet wird.

Im letzten Projekt untersuchen wir die Beziehung zwischen der Zellfestigkeit und dem Metastasierungspotential mit einer Reihe von Mechano-Profilierungsmethoden, unter anderem unserer Dehnungsplattform. Obwohl die Festigkeit einer Zelle als möglicher Biomarker für die Erkennung pathologischer Veränderung angesehen wird, schliessen wir aus unserer Studie, dass eine multimodale Beurteilung der Zellmechanik erforderlich ist um ein vollständiges Bild des zellulären Gesundheitszustandes zu erhalten.