Dynamic effective elasticity of melanoma cells under shear and elongational flow confirms estimation from force spectroscopy

The detection and enrichment of circulating melanoma cells is a challenge, as the cells are very heterogeneous in terms of their biomechanical properties and surface markers. In addition, there is a lack of valid and reliable biomarkers predicting progress and therapeutic response. In this study, we analyze the elasticity of A375 melanoma cells by applying force spectroscopy and a microfluidic method. To identify and eventually separate freely circulating tumor cells, it is crucial to know their physical properties precisely. First, we use standard AFM force spectroscopy, where the elasticity of the cells is calculated from indentation with a pyramidal tip. To extend the limits of the measurements with a tip, we then use cantilevers without a tip to apply force over a larger area of the cells. The resulting Young’s moduli are slightly lower and vary less without the tip, presumably because of the spatial inhomogeneity of the cells. Finally, we implement our microfluidic method: we measure single cell elasticity by analyzing their deformation in high-speed micrographs while passing a stenosis. Combining the force field and the change in shape provides the basis for a stress–strain diagram. The results from the microfluidic deformation analysis were well in accordance with the results from force spectroscopy. The microfluidic method, however, provides advantages over conventional methods, as it is less invasive and less likely to harm the cell during the measurement. The whole cell is measured as one entity without having contact to a stiff substrate, while force spectroscopy is limited to the contact area of the tip, and in some cases dependent of the cell substrate interaction. Consequently, microfluidic deformation analysis allows us to predict the overall elastic behavior of the whole, inhomogeneous cell in three-dimensional force fields. This method may contribute to improve the detection of circulating melanoma cells in the clinical practice

Zellen unter Scherfluss

Diese Arbeit befasst sich prinzipiell mit der Wirkung von Scherfluss auf Zellen. Dabei beschäftige ich mich einerseits mit der Zelladhäsion an einer festen Oberfläche, und gehe im zweiten Teil über zu dem komplexeren Fall der Zell-Zell-Adhäsion bzw. Aggregaten von Zellen. Konkret wurden dazu zwei grundsätzlich verschiedene Fragen gestellt: Teil I: Welche physikalischen Parameter beeinflussen die Zelladhäsion, und wie lassen sie sich mikrofluidisch charakterisieren und einordnen? Hier kommt ein mikrofluidischer Hybridaufbau zum Einsatz, der reproduzierbare Strömungsfelder in einem geschlossenem Volumen mit Fluoreszenzmikroskopie und der Möglichkeit, die Umgebungsbedingungen zu variieren, kombiniert. Die Widerstandsfähigkeit adhärenter Zellen unter Fluss wird am Beispiel von SaOs-2 Knochenkrebszellen auf dem Implantatmaterial Titan untersucht. Wie stabil diese Zell-Substrat-Bindung ist, entscheidet mit darüber, wie gut ein neu eingesetztes, künstliches Gelenk nach der Operation mit dem Knochen verwächst. In dieser Arbeit geht es insbesondere um den Einfluss der Scherrate, der Zelldichte und der Oberflächenrauigkeit. Teil II: Wie stabil sind die Aggregate aus roten Blutkörperchen, sogenannte „Rosetten“, die sich bei Malariainfektion bilden? Bei Malariainfektion befällt der Malariaparasit rote Blutkörperchen, die dadurch adhäsive Eigenschaften ausbilden. Durch das Aneinanderhaften von infizierten und uninfizierten roten Blutkörperchen bilden sich sogenannte Rosetten. Diese für den Patienten gefährlichen Zell-Zell-Aggregate werden durch Mikofluidikkanäle mit Stenosen gepumpt, um deren Stabilität unter Deformation durch hohe Scherraten und geometrische Einschränkung größen- und blutgruppenabhängig zu untersuchen. Im Wesentlichen basieren beide Teile I und II jeweils auf einem mikrofluidischen Aufbau mit dazu entwickelter halbautomatischer Bildauswertung, und lassen sich mittels eines thermodynamischen Modells beschreiben. Als Ergebnis wird die Zelladhäsion bzw. Ablösung jeweils in Abhängigkeit von der Scherrate und der Zeit betrachtet.This dissertation examines the impact of shear flow on cells. The first part deals with cell adhesion on a surface, while the second part covers the more complex case of cell-cell adhesion or aggregates of cells. In tangible terms, two research questions are formulated: Part I: Which physical parameters affect cell adhesion, and how can they be characterised and classified via microfluidic approaches? A hybrid microfluidic setup provides a reproducible flow field in a closed volume, combined with fluorescence microscopy and the option of varied environmental conditions. Investigating SaOs-2 bone cancer cells on titanium, a standard implant material, the resistivity of adherent cells under flow conditions is examined. The strength of this bond determines the quality of ingrowth of an implant, e.g. an artificial joint. In particular, the focus in this work is on the influence of the shear stress, the cell density and the surface roughness. Part II: How stable are aggregates of red blood cells, so-called rosettes, which form during Malaria infection? During Malaria infection, the Malaria parasite invades red blood cells, which consequently develop adhesive properties. These so-called rosettes form in a suspension of partially parasitized red blood cells, and are pumped through microfluidic channels with different stenoses, to measure their durability by deformation through high shear rates and physical constraints with respect to their size and the patients’ blood group. Essentially, both parts are based on a microfluidic setup combined with customized software to analyze the micrographs semi-automatically, and each includes the assignment of a thermodynamic model. In conclusion, we find the cell detachment as a function of shear rate and time in both cases