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Authors: Müller, Marc
Title: Light-Controlled Self-Assembly and Self-Sorting of Mammalian Cells
Online publication date: 13-Jan-2020
Language: english
Abstract: Building tissue from cells as the basic building block based on principles of self-assembly is a challenging and promising approach. Understanding how far principles of self-assembly and self-sorting known for colloidal particles apply to cells remains unanswered. In this thesis, I demonstrate that not just controlling the cell-cell interactions but also their dynamics is a crucial factor that determines the formed multicellular structure, using photoswitchable interactions between cells that are activated with blue light and reverse in the dark. Tuning dynamics of the cell-cell interactions by pulsed light activation, results in multicellular architectures with different sizes and shapes. When the interactions between cells are dynamic compact and round multicellular clusters under thermodynamic control form, while otherwise branched and lose aggregates under kinetic control assemble. These structures parallel what is known for colloidal assemblies under reaction and diffusion limited cluster aggregation, respectively. Similarly, dynamic interactions between cells are essential for cells to self-sort into distinct groups. Using four different cell types, which expressed two orthogonal cell-cell interaction pairs, the cells sorted into two separate assemblies. Bringing concepts of colloidal self-assembly to bottom-up tissue engineering provides a new theoretical framework and will help in the design of more predictable tissue-like structures.
Der Aufbau von künstlichem Gewebe durch eine modulare Zusammensetzung von Zellen ist eine vielversprechende Herausforderung. Dabei organisieren sich die Zellen selbst und bilden komplexere Strukturen. Die Prinzipien der Selbstorganisation, die von kolloidalen Systemen bekannt sind, sind noch ungeklärt für Zellen. In dieser Doktorarbeit beschäftige ich mich mit kontrollierten Zell-Zellkontakten und deren Dynamik, die die Form der multizellularen Strukturen maßgeblich bestimmen. Für den Ansatz der kontrollierten Zell-Zellkontakten sollen lichtschaltbare Proteine eingesetzt werden, die unter blauem Licht aktiviert und wieder im Dunklen inaktiviert werden können. Das blaue Licht als Aktivator bieten die Möglichkeit, mit unterschiedlichen Lichtpulsen die Dynamik der Zell-Zell Kontakte aktiv zu beeinflussen. Dieses pulsierende Licht und die damit veränderte Dynamik der Zell-Zellkontakte wirkt sich auf die Größe und Struktur der multizellularen Strukturen aus. Durch dynamische Interaktionen zwischen den Zellen entstehen kompakte und runde Aggregate, die thermodynamisch kontrolliert werden. Sind im Gegensatz die Zellaggregate kinetisch kontrolliert, entstehen verzweigte baumartige Strukturen. Die unterschiedlichen Strukturen, die durch unterschiedliche Dynamiken der Zell-Zellkontakte entstehen können, sind schon aus der kolloidalen Aggregation unter dem Namen der Reaktions- und Diffusions-limitierten Cluster-Aggregation bekannt. Durch den Einsatz von ähnlichen Dynamiken und der Expression von orthogonal bindenden lichtschaltbaren Proteinen auf der Oberfläche von Zellen ist es mir gelungen, vier unterschiedlichen Zellen mit blauem Licht zu beleuchten, die sich daraufhin selbst in zwei vorgegebene Familien sortieren. Dieser Ansatz bietet das Potential, zusammen mit den Konzepten der kolloidalen Aggregation Vorhersagen sowie ein neues Design für künstlichen Geweben zu entwickeln.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3594
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: X, 103 Seiten
Appears in collections:JGU-Publikationen

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