Biophysical Investigation of Acanthamoeba castellanii Interactions with Target Cells and Biomimetic Materials

Gutekunst, Sören Björn

The investigation of pathogen-host interaction is of major importance to understand biological questions, for medical research, and treatment solutions. A. castellanii were investigated to enrich the knowledge about the pathogenicity of A. and affiliated cells and to develop new methods for treatment and research applications. In this thesis the initial step of infections, the adhesion was presented. PDMS substrates of 4 to 128 kPa were produced, followed by adhesion experiments of A. castellanii. This gave the first evidence for mechanosensing in a human pathogenic protist. After adhesion of amoeba to the cornea substrate in vivo the infection proceeds with migration on and through cells’ tissue. This was observed with biomimetic concept of 3D substrates. Cavities of this labyrinth structured material can act as cell traps as migration is reduced for A. castellanii and chemotactic reagents can be implied to guide cells. A. are known to kill target cells. For deformation force quantification, particles were synthesized and cells in the size range of target cells were used for phagocytosis experiments. Optical manipulation of cells and particles were acquired with Optical Tweezer. Observation of deformations of red blood cells during uptake by A. castellanii resulted in deformation force of several hundreds of pN. To conclude, these results are a first approach to measure and understand the impact of mechanical forces during an infection and show new opportunities in the treatment.

Untersuchungen zu Wechselwirkungen zwischen pathogenen Erregern und ihren Wirtszellen sind von großer Bedeutung und deren Verständnis kann dazu beitragen, die medizinische Forschung zu verbessern und neue Heilungsmöglichkeiten zu entwickeln. Um das Wissen über die Pathogenizität der A. castellanii zu vertiefen und neue Heilungsmethoden sowie Forschungsanwendungen zu entwickeln, wurde die Eigenschaft verschiedener Elastizitäten aufgegriffen und untersucht. Sowie eine Infektion, beginnt auch diese Arbeit mit dem Vorgang der Adhäsion. PDMS-substrate wurden mit einem Elastizitätsmodul von 4 bis 128 kPa hergestellt, um Experimente mit A. castellanii durchführen zu können. Dies lieferte erste Beweise für das mechanosensitive Verhalten humanpathogener Protisten. Nach der Adhäsion der Amöben an die Hornhaut in vivo breitet sich die Infektion durch Migrationsprozesse problemlos auf die umliegenden Zellgewebe aus. Zur Untersuchung dieser Vorgänge wurde ein 3D Substraten. Zum einen können mögliche Kavitäten in diesem labyrinthartigen Material als Zellfalle genutzt werden, da die Bewegungen von A. castellanii reduziert werden und zum anderen können chemotaktische Substanzen für eine gezielte Führung der Zellen eingebracht werden. Es ist bekannt, dass A. ihre Zielzellen durch Phagozytose töten. Zur Quantifizierung der dabei entstehenden Deformationskräfte wurden Partikel synthetisiert und Zellen verwendet, die in ihrer Größe den Zielzellen entsprechen. Eine optische Manipulation von Zellen und Partikeln wurde mit einer optischen Pinzette durchgeführt. Bei der Aufnahme von roten Blutkörperchen durch A. castellanii konnten Deformationskräfte von mehreren hundert pN detektiert werden. Diese Arbeit zeigt einen ersten Versuch den Verlauf einer Infektion mittels mechanischer Kräfte zu beschreiben und darzustellen, wodurch sie neue Möglichkeiten für Therapieansätze liefert.

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Gutekunst, Sören Björn: Biophysical Investigation of Acanthamoeba castellanii Interactions with Target Cells and Biomimetic Materials.

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