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Abstract

Während der Tumorprogression ändert sich das Adhäsionsvermögen der Zellen. Die hierbei auftretenden Effekte sind biophysikalisch noch weitgehend unerforscht. In dieser Arbeit wurde das Adhäsionsverhalten von Tumorzelllinien verschiedener Differenzierungsgrade auf kollagenbeschichteten Oberflächen mithilfe der markerfreien Refexions-Interferenz-Kontrast-Mikroskopie (RIKM) analysiert. Mit der RIKM werden Kontaktzonen zwischen Zelle und Substrat visualisiert, wodurch eine Adhäsionskarte abgebildet wird. Aus diesen komplexen Adhäsionsmustern wurden verschiedene Parameter ausgelesen, um so einen charakteristischen Fingerabdruck der Zelle zu erstellen, welcher zur Klassifizierung von Tumorzellen genutzt werden kann. Die beiden Zelllinien (PatuT & PatuS) mit unterschiedlichem Differenzierungsgrad zeigten bereits in der Kinetik ihres Spreit- und Adhäsionsprozesses signifikante Unterschiede. Besonders bemerkenswert erwiesen sich die Unterschiede in der Morphologie ihrer Adhäsionsbereiche. Die PatuS Zellen zeigten eine kleinere absolute Adhäsionsfläche auf als die malignen PatuT Zellen. Der Anteil der Adhäsionsfläche an der Gesamtzellfläche war für die PatuS Zellen jedoch größer. Zusätzlich unterschieden sich die beiden Zelllinien in ihrem Adhäsionsmuster. Die PatuS Zellen zeigten im Vergleich zu den PatuT Zellen weniger, größere und vorzugsweise an der Zellperipherie lokalisierte Adhäsionspatches. Diese Unterschiede ließen auf eine höhere Adhäsionsstärke der PatuS Zellen schließen, was anhand eines mikrofluidischen Ablöseassays bestätigt werden konnte. Zusätzlich wurde ein Modell etabliert, was erlaubt die Adhäsionsstärke direkt aus den RIKM-Bildern zu berechnen. Zur Bestimmung weiterer Unterscheidungskriterien erwies sich die Fraktalanalyse der RIKM-Bilder als geeignet. Es konnten so Unterschiede in der fraktalen Dimension der beiden Zelllinien und damit im Malignitätsgrad festgestellt werden. Mit den hier gewonnenen Resultaten aus der Analyse der Adhäsionsparameter und -muster, der Berechnung von Adhäsionsstärken und der Untersuchung der fraktalen Dimension konnte ein charakteristischer Fingerabdruck der Zelle erstellt werden, welcher mit ihrem Differenzierungsgrad korreliert werden kann.

Translation of abstract (English)

During tumor progression changes in the adhesion capability of cells occur. However, little is known about the underlying biophysical aspects. In this work, adhesion characteristics of tumor cell lines with different degrees of differentiation on collagen-coated surfaces were analyzed with the label free method reflection interference contrast microscopy (RICM). With RICM, contact zones between cells and surfaces are visualized and adhesion maps can be displayed. Using these complex adhesion maps, various parameters were extracted to create a characteristic fingerprint of the cell, which can be used to classify the tumor cell. The two cell lines (PatuT & PatuS) with a different degree of differentiation showed significant differences in the kinetics of their spreading and adhesion. However, differences in morphology of the adhesion zones proved to be the most remarkable. PatuS cells exhibited a smaller absolute adhesion area than the more malignant PatuT cells. However, the ratio of the adhesion area to the entire cell area for PatuS cells exceeded that of PatuT cells. In addition, both cell lines differed in their adhesion patterns. Compared to PatuT, PatuS cells showed fewer and larger adhesion patches, which were located preferentially in the cell periphery. These differences demonstrated the PatuS cells have a higher adhesion strength that could be confirmed with microfluidic detachment assays. In addition, a model was established which enables the calculation of adhesion strength directly from the RICM images. The fractal analysis of RICM images was used as a further distinctive criterion. Differences in the fractal dimension and thus in the grade of differentiation between the two cell lines could be observed. With the results obtained from the analysis of the adhesion parameters and patterns, the evaluation of adhesion strengths and the fractal analyses it was possible to generate a characteristic fingerprint of the cell, which correlates with the grade of differentiation.