Mechanik biologischer Materialien : von der Zelle zum Gewebe

Abstract

Die mechanischen Eigenschaften lebender Zellen sind grundlegend für biologische Prozesse, wie Wundheilung oder die Embryogenese. Zellen zeigen eine komplexe, nichtlineare mechanische Antwort, die sich sowohl als zunehmende als auch als abnehmende Steifigkeit äußern kann. Die auftretenden Nichtlinearitäten in der mechanischen Zellantwort und im besonderen ihre Abhängig-keit von Stimulus und Messmethode sind noch nicht verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die nichtlineare mechanische Antwort lebender Fibroblasten auf oszillatorische Stimuli mit stei-gender Amplitude charakterisiert. Die Resultate zeigen, dass die nichtlineare Zellantwort von der Verformungsgeschichte abhängt. Je nach Vorgeschichte zeigen lebende Zellen unterschiedliche Antworten auf den gleichen oszillatorischen Stimulus. Intrazyklische Versteifungen und interzy-klisch abnehmende Steifigkeiten können im gleichen Experiment beobachtet werden. Analogien zu vernetzten Biopolymergelen legen eine inelastische Umordnung des Zytoskeletts und eine re-sultierende pfadabhängige mechanische Adaption der Zellen als Grundlage der Abhängigkeit der Zellantwort von der Verformungsgeschichte nahe. Eine Modellierung der Ergebnisse mit einem elastoplastischen Kontinuumsmodell und einem dynamischen Filamentmodell unterstützt das mi-kroskopische Modell der inelastischen Umordnung. Adaptionen des Zytoskeletts können eine wich-tige Rolle für einzelne Zellen, Gewebe und Organismen spielen.

The mechanical properties of living cells are a major determinant for biological processes, such as wound healing and embryogenesis. Cells exhibit a complex nonlinear mechanical response, including stiffening, softening and an adaptation of cytoskeletal structure. Nonlinearities in the cell mechanical response and especially their dependence on the stimulus and the experimental technique are not yet understood. In this thesis, the nonlinear response of living fibroblast cells is characterized using large amplitude oscillatory shear. The results show that nonlinear cell re-sponse depends on the strain history. Cells can exhibit different mechanical responses to identical oscillatory excitations. Fibroblast cells exhibit a superposition of intercycle softening and intra-cycle stiffening. Analogies to experimental and theoretical work on crosslinked biopolymer gels suggests that inelastic rearrangements of the cytoskeleton and resulting path-dependent mecha-nical adaptations are responsible for the strain history dependence. Modeling approaches using an elastoplastic continuum model and a dynamic, crosslinked filament model support the microscopic picture of inelastic rearrangements. Adaptations of the cytoskeleton can have an important role for single cells, tissues as well as whole organisms.