Physical Aspects of Local Solid Tumor Growth

Krebszellen haben gemeinsame Eigenschaften, wie unbegrenztes Wachstumspotential und die Vermeidung von Apoptose. Krebs kann als systemische Erkrankung angesehen werden und es reicht daher nicht aus, molekulare Details von Krebs zu verstehen, sondern auch emergente physikalische Eigenschaften von Krebs auf mehreren Größenskalen von Genen über Zellen bis hin zu Geweben. Diese Arbeit konzentriert sich auf physikalische Eigenschaften die an der Krebsprogression, der Migration von Krebszellen und dem Krebswachstum beteiligt sind. Die Migration von Krebszellen führt zur Fähigkeit zur Metastasierung, der häufigsten Ursache für krebsbedingten Tod. Der Schlüssel zu diesem Prozess ist die Verformbarkeit von Krebszellen beim Durchqueren der dichten Mikroumgebung aus extrazellulärer Matrix und anderen Zellen. Der genaue Beitrag des Aktin- und Mikrotubuli-Netzwerks zur zellulären elastischen Verformung und Entspannung ist wichtig und wurde untersucht. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass bei kleinen Verformungen (5%) Aktin-Filamente und Mikrotubuli gleichermaßen zur Zellverformung und -relaxation beitragen. So sind die Mikrotubuli für die Migration in Mikroumgebungen von größerer Bedeutung, als es die aktuelle Literatur vermuten lässt. Ein initial gebildeter bösartiger Tumor tritt typischerweise in eine Wachstumsphase ein, in der das umgebende Gewebe verdrängt und eingedrungen wird. Für ein optimales klinisches Behandlungsergebnis sollte der Primärtumor so gut wie möglich entfernt werden, was die genaue Erkennung der Tumorfront und die Identifizierung der Gewebe mit dem Risiko einer Krebsinfiltration beinhaltet. In dieser Arbeit werden natürliche Hindernisse und Grenzen für das Krebswachstum, wie z.B. Fasziengewebsgrenzen oder Gewebekompartimentgrenzen, basierend auf klinischen Daten von Gebärmutterhalskrebs analysiert, die aus der pathologischen Untersuchung von chirurgisch resezierten Tumoren von 518 Patienten gewonnen wurden. Die Wachstumsgrenzen wurden als embryonale Gewebeentwicklungsgrenzen identifiziert und betonen, dass Krebs Entwicklungsmerkmale aufweist, die häufig in der Embryogenese vorkommen. Das gefundene Tumorwachstumsmuster und die -form widersprechen dem das das vorherrschende Dogma der isotropen Tumorwachstum, welches der chirurgischen Tumorresektion und Strahlentherapie zugrunde liegt. Die Tumorform-Distribution weist starke Abweichungen von sphärischer Symmetrie auf, was darauf hindeutet, dass Tumore durch entwicklungsbiologische Kompartimente und deren Kompartimentsgrenzen begrenzt und geformt werden. Computersimulationen liefern auch den Nachweis, dass die klinisch gefundene Tumorinfiltrationswahrscheinlichkeit von Geweben nicht auf der metrischen Entfernung des gefährdeten Gewebes zum Gewebe der Tumorherkunft basiert, sondern auf der ontogenetischen Verwandtschaft der Gewebe

Jamming in Embryogenesis and Cancer Progression

The ability of tissues and cells to move and rearrange is central to a broad range of diverse biological processes such as tissue remodeling and rearrangement in embryogenesis, cell migration in wound healing, or cancer progression. These processes are linked to a solidlike to fluid-like transition, also known as unjamming transition, a not rigorously defined framework that describes switching between a stable, resting state and an active, moving state. Various mechanisms, that is, proliferation and motility, are critical drivers for the (un) jamming transition on the cellular scale. However, beyond the scope of these fundamental mechanisms of cells, a unifying understanding remains to be established. During embryogenesis, the proliferation rate of cells is high, and the number density is continuously increasing, which indicates number-density-driven jamming. In contrast, cells have to unjam in tissues that are already densely packed during tumor progression, pointing toward a shape-driven unjamming transition. Here, we review recent investigations of jamming transitions during embryogenesis and cancer progression and pursue the question of how they might be interlinked. We discuss the role of density and shape during the jamming transition and the different biological factors driving it

Actin and microtubule networks contribute differently to cell response for small and large strains

Cytoskeletal filaments provide cells with mechanical stability and organization. The main key players are actin filaments and microtubules governing a cell’s response to mechanical stimuli. We investigated the specific influences of these crucial components by deforming MCF-7 epithelial cells at small(\u845% deformation) and large strains(>5% deformation). To understand specific contributions of actin filaments and microtubules, we systematically studied cellular responses after treatment with cytoskeleton influencing drugs. Quantification with the microfluidic optical stretcher allowed capturing the relative deformation and relaxation of cells under different conditions. We separated distinctive deformational and relaxational contributions to cell mechanics for actin and microtubule networks for two orders of magnitude of drug dosages. Disrupting actin filaments via latrunculin A, for instance, revealed a strain-independent softening. Stabilizing these filaments by treatment with jasplakinolide yielded cell softening for small strains but showed no significant change at large strains. In contrast, cells treated with nocodazole to disrupt microtubules displayed a softening at large strains but remained unchanged at small strains. Stabilizing microtubules within the cells via paclitaxel revealed no significant changes for deformations at small strains, but concentration-dependent impact at large strains. This suggests that for suspended cells, the actin cortex is probed at small strains, while at larger strains; the whole cell is probed with a significant contribution from the microtubule

Differences in cortical contractile properties between healthy epithelial and cancerous mesenchymal breast cells

Cell contractility is mainly imagined as a force dipole-like interaction based on actin stress fibers that pull on cellular adhesion sites. Here, we present a different type of contractility based on isotropic contractions within the actomyosin cortex. Measuring mechanosensitive cortical contractility of suspended cells among various cell lines allowed us to exclude effects caused by stress fibers. We found that epithelial cells display a higher cortical tension than mesenchymal cells, directly contrasting to stress fiber-mediated contractility. These two types of contractility can even be used to distinguish epithelial from mesenchymal cells. These findings from a single cell level correlate to the rearrangement effects of actomyosin cortices within cells assembled in multicellular aggregates. Epithelial cells form a collective contractile actin cortex surrounding multicellular aggregates and further generate a high surface tension reminiscent of tissue boundaries. Hence, we suggest this intercellular structure as to be crucial for epithelial tissue integrity. In contrast, mesenchymal cells do not form collective actomyosin cortices reducing multicellular cohesion and enabling cell escape from the aggregates

Detecting heterogeneity in and between breast cancer cell lines

Cellular heterogeneity in tumor cells is a well-established phenomenon. Genetic and phenotypic cell-to-cell variability have been observed in numerous studies both within the same type of cancer cells and across different types of cancers. Another known fact for metastatic tumor cells is that they tend to be softer than their normal or non-metastatic counterparts. However, the heterogeneity of mechanical properties in tumor cells are not widely studied. Here we analyzed single-cell optical stretcher data with machine learning algorithms on three different breast tumor cell lines and show that similar heterogeneity can also be seen in mechanical properties of cells both within and between breast tumor cell lines. We identified two clusters within MDA-MB-231 cells, with cells in one cluster being softer than in the other. In addition, we show that MDA-MB-231 cells and MDA-MB-436 cells which are both epithelial breast cancer cell lines with a mesenchymal-like phenotype derived from metastatic cancers are mechanically more different from each other than from non-malignant epithelial MCF-10A cells. Since stiffness of tumor cells can be an indicator of metastatic potential, this result suggests that metastatic abilities could vary within the same monoclonal tumor cell line.https://doi.org/10.1186/s41236-020-0010-

Physical Aspects of Local Solid Tumor Growth

Krebszellen haben gemeinsame Eigenschaften, wie unbegrenztes Wachstumspotential und die Vermeidung von Apoptose. Krebs kann als systemische Erkrankung angesehen werden und es reicht daher nicht aus, molekulare Details von Krebs zu verstehen, sondern auch emergente physikalische Eigenschaften von Krebs auf mehreren Größenskalen von Genen über Zellen bis hin zu Geweben. Diese Arbeit konzentriert sich auf physikalische Eigenschaften die an der Krebsprogression, der Migration von Krebszellen und dem Krebswachstum beteiligt sind. Die Migration von Krebszellen führt zur Fähigkeit zur Metastasierung, der häufigsten Ursache für krebsbedingten Tod. Der Schlüssel zu diesem Prozess ist die Verformbarkeit von Krebszellen beim Durchqueren der dichten Mikroumgebung aus extrazellulärer Matrix und anderen Zellen. Der genaue Beitrag des Aktin- und Mikrotubuli-Netzwerks zur zellulären elastischen Verformung und Entspannung ist wichtig und wurde untersucht. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass bei kleinen Verformungen (5%) Aktin-Filamente und Mikrotubuli gleichermaßen zur Zellverformung und -relaxation beitragen. So sind die Mikrotubuli für die Migration in Mikroumgebungen von größerer Bedeutung, als es die aktuelle Literatur vermuten lässt. Ein initial gebildeter bösartiger Tumor tritt typischerweise in eine Wachstumsphase ein, in der das umgebende Gewebe verdrängt und eingedrungen wird. Für ein optimales klinisches Behandlungsergebnis sollte der Primärtumor so gut wie möglich entfernt werden, was die genaue Erkennung der Tumorfront und die Identifizierung der Gewebe mit dem Risiko einer Krebsinfiltration beinhaltet. In dieser Arbeit werden natürliche Hindernisse und Grenzen für das Krebswachstum, wie z.B. Fasziengewebsgrenzen oder Gewebekompartimentgrenzen, basierend auf klinischen Daten von Gebärmutterhalskrebs analysiert, die aus der pathologischen Untersuchung von chirurgisch resezierten Tumoren von 518 Patienten gewonnen wurden. Die Wachstumsgrenzen wurden als embryonale Gewebeentwicklungsgrenzen identifiziert und betonen, dass Krebs Entwicklungsmerkmale aufweist, die häufig in der Embryogenese vorkommen. Das gefundene Tumorwachstumsmuster und die -form widersprechen dem das das vorherrschende Dogma der isotropen Tumorwachstum, welches der chirurgischen Tumorresektion und Strahlentherapie zugrunde liegt. Die Tumorform-Distribution weist starke Abweichungen von sphärischer Symmetrie auf, was darauf hindeutet, dass Tumore durch entwicklungsbiologische Kompartimente und deren Kompartimentsgrenzen begrenzt und geformt werden. Computersimulationen liefern auch den Nachweis, dass die klinisch gefundene Tumorinfiltrationswahrscheinlichkeit von Geweben nicht auf der metrischen Entfernung des gefährdeten Gewebes zum Gewebe der Tumorherkunft basiert, sondern auf der ontogenetischen Verwandtschaft der Gewebe

Physical Aspects of Local Solid Tumor Growth

Krebszellen haben gemeinsame Eigenschaften, wie unbegrenztes Wachstumspotential und die Vermeidung von Apoptose. Krebs kann als systemische Erkrankung angesehen werden und es reicht daher nicht aus, molekulare Details von Krebs zu verstehen, sondern auch emergente physikalische Eigenschaften von Krebs auf mehreren Größenskalen von Genen über Zellen bis hin zu Geweben. Diese Arbeit konzentriert sich auf physikalische Eigenschaften die an der Krebsprogression, der Migration von Krebszellen und dem Krebswachstum beteiligt sind. Die Migration von Krebszellen führt zur Fähigkeit zur Metastasierung, der häufigsten Ursache für krebsbedingten Tod. Der Schlüssel zu diesem Prozess ist die Verformbarkeit von Krebszellen beim Durchqueren der dichten Mikroumgebung aus extrazellulärer Matrix und anderen Zellen. Der genaue Beitrag des Aktin- und Mikrotubuli-Netzwerks zur zellulären elastischen Verformung und Entspannung ist wichtig und wurde untersucht. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass bei kleinen Verformungen (5%) Aktin-Filamente und Mikrotubuli gleichermaßen zur Zellverformung und -relaxation beitragen. So sind die Mikrotubuli für die Migration in Mikroumgebungen von größerer Bedeutung, als es die aktuelle Literatur vermuten lässt. Ein initial gebildeter bösartiger Tumor tritt typischerweise in eine Wachstumsphase ein, in der das umgebende Gewebe verdrängt und eingedrungen wird. Für ein optimales klinisches Behandlungsergebnis sollte der Primärtumor so gut wie möglich entfernt werden, was die genaue Erkennung der Tumorfront und die Identifizierung der Gewebe mit dem Risiko einer Krebsinfiltration beinhaltet. In dieser Arbeit werden natürliche Hindernisse und Grenzen für das Krebswachstum, wie z.B. Fasziengewebsgrenzen oder Gewebekompartimentgrenzen, basierend auf klinischen Daten von Gebärmutterhalskrebs analysiert, die aus der pathologischen Untersuchung von chirurgisch resezierten Tumoren von 518 Patienten gewonnen wurden. Die Wachstumsgrenzen wurden als embryonale Gewebeentwicklungsgrenzen identifiziert und betonen, dass Krebs Entwicklungsmerkmale aufweist, die häufig in der Embryogenese vorkommen. Das gefundene Tumorwachstumsmuster und die -form widersprechen dem das das vorherrschende Dogma der isotropen Tumorwachstum, welches der chirurgischen Tumorresektion und Strahlentherapie zugrunde liegt. Die Tumorform-Distribution weist starke Abweichungen von sphärischer Symmetrie auf, was darauf hindeutet, dass Tumore durch entwicklungsbiologische Kompartimente und deren Kompartimentsgrenzen begrenzt und geformt werden. Computersimulationen liefern auch den Nachweis, dass die klinisch gefundene Tumorinfiltrationswahrscheinlichkeit von Geweben nicht auf der metrischen Entfernung des gefährdeten Gewebes zum Gewebe der Tumorherkunft basiert, sondern auf der ontogenetischen Verwandtschaft der Gewebe

Lernzuwachsanalyse zum mathematischen Vorkurs

An der Universität Leipzig findet für die Studienanfänger:innen in physikgeprägten Studiengängen ein mathematischer Vorkurs statt. In diesem werden die wesentlichen Grundlagen aus der Schule, welche für das Studium wichtig sind, wiederholt und vertieft. Gleichzeitig werden bundesländerspezifische Lehrplanunterschiede adressiert. Zur Weiterentwicklung des Kurses erfolgte im Wintersemester 2022/2023 eine Beforschung. Mittels einer Leistungsstanderhebung vor und nach dem Vorkurs konnte der Lernzuwachs durch den Vorkurs untersucht werden. Hierbei wurde ein signifikanter Lernzuwachs durch den Vorkurs nachgewiesen. Dieser wird durch die Wissensreaktivierung von vorhandenem Wissen aus der Schule begünstigt

Jamming in Embryogenesis and Cancer Progression

The ability of tissues and cells to move and rearrange is central to a broad range of diverse biological processes such as tissue remodeling and rearrangement in embryogenesis, cell migration in wound healing, or cancer progression. These processes are linked to a solidlike to fluid-like transition, also known as unjamming transition, a not rigorously defined framework that describes switching between a stable, resting state and an active, moving state. Various mechanisms, that is, proliferation and motility, are critical drivers for the (un) jamming transition on the cellular scale. However, beyond the scope of these fundamental mechanisms of cells, a unifying understanding remains to be established. During embryogenesis, the proliferation rate of cells is high, and the number density is continuously increasing, which indicates number-density-driven jamming. In contrast, cells have to unjam in tissues that are already densely packed during tumor progression, pointing toward a shape-driven unjamming transition. Here, we review recent investigations of jamming transitions during embryogenesis and cancer progression and pursue the question of how they might be interlinked. We discuss the role of density and shape during the jamming transition and the different biological factors driving it

Digitale Übungsaufgaben im STACK-Format

Mithilfe von STACK , einem kostenfreien Plugin mit integriertem Computer-Algebra-System für die Plattformen Moodle und Ilias, können randomisierte Rechenaufgaben erstellt werden. Anhand der studentischen Eingabe erhalten die Studierenden individuelles Feedback. Durch die Feedbackfunktion, die Randomisierung und die Ressourcenschonung bietet sich STACK für den Einsatz in digitalen Übungsserien/Übungsblättern in MINT-Modulen an. STACK-Aufgaben können via Exportfunktion leicht ausgetauscht und bei allen Kohortengrößen eingesetzt werden. Unsere ersten Forschungsergebnisse zeigen, dass Studierende mehrheitlich keine Probleme mit der digitalen Eingabe hatten und die Aufgaben häufig zur Prüfungsvorbereitung nutzten. In einer Analyse von Prüfungen hat sich gezeigt, dass Studierende mit STACK-Aufgaben vergleichbare Klausurergebnisse wie Gruppen mit klassischen Übungsaufgaben in Papierform erzielen. Ein wichtiger Vorteil dabei ist die Wiederholbarkeit der digitalen Aufgaben mit randomisiertem Zahlenmaterial. Diese Ergebnisse zeigen, dass STACK als digitales Werkzeug in der MINT-Lehre erfolgsversprechend und skalierbar eingesetzt werden kann