Quantitative Analyse der mechanischen Eigenschaften pulmonaler Zellkulturen am Modell einer künstlichen zweischichtigen Atemwegswand
Final Report Abstract
Im vorliegenden Projekt wurden verschiedene humane Lungenepithelzellen mit humanen Lungenfibroblasten bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert und verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass sich Epithelzellen, unabhängig von der Spezies des Spenders, in ihren mechanischen Eigenschaften entsprechend ihrer Funktion im Körper ähneln. Dahingegen unterscheiden sich Epithelzellen von Fibroblasten in ihrer Dehnbarkeit signifikant. Dies ist sicherlich der Tatsache geschuldet, dass Fibroblasten im Körper eine völlig andere Struktur aufweisen und ihnen eine gänzlich andere Funktion zukommt als Epithelzellen. Die Analyse der biologischen Antwort auf die mechanische Dehnung von Zelllayern zeigte, dass abhängig von Dauer und Amplitude der Stimulation sowohl die Zell-Zell-Kontakte, als auch die Zell-Membran-Verknüpfungen stark reduziert werden. Dies mag auf den Verlust der Verknüpfungen durch die Dehnung der Membran zurückzuführen sein, könnte jedoch auch durch das stressbedingte Auslösen des programmierten Zelltods verursacht sein. Nachdem gezeigt werden konnte, welche Auswirkungen die Amplitude und die Dauer der mechanischen Belastung auf die Zellschichten haben, wird sich für weiterführende Projekte die Frage nach dem Einfluss der Frequenz auf zelluläre und mechanische Veränderungen der Zellschichten ergeben. Nach der Charakterisierung der Einzelzellschichten wurde im Projekt die Frage geklärt, inwiefern sich die mechanischen Eigenschaften eines Kollagen-Fibroblasten-Verbandes von den Eigenschaften der Fibroblasten-Einzelzellschicht bzw. von den Eigenschaften des reinen Kollagens unterscheiden. Die Ergebnisse zeigen hierbei, dass die Dehnbarkeit dieses biologischen Verbandes keine Summe der Dehnbarkeit der Einzelzellschicht plus der Dehnbarkeit der Kollagenschicht darstellt, sondern dass der Zell-Kollagenverband, verglichen mit den Einzelzellschichten sogar eine erhöhte Dehnbarkeit aufweist. Die erhöhte Dehnbarkeit des Verbandes lässt sich verständlicherweise durch seine Funktion im Organismus als Teil der Lunge erklären. Auch in der Lunge spielt die erhöhte Dehnbarkeit für die Aufrechterhaltung der Funktion eine wichtige Rolle.
Publications
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A new device for dynamic ventilation-analogue mechanostimulation of pliant tissue layers. Acta Bioeng Biomech 14(4):53-62, 2012
Gamerdinger K, Schneider M, Smudde E, Guttmann J, Schumann S
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A method to measure mechanical properties of pulmonary epithelial cell layers. J Biomed Mater Res B ApplBiomater 2013 Apr 6
Dassow C, Armbruster C, Friedrich C, Smudde E, Guttmann J, Schumann S
