Dissertations / Theses on the topic 'Zell Migration'

In this thesis, we study mathematical models that describe the morphology of a generalized biological cell in equilibrium or under the influence of external forces. Within these models, the cell is considered as a thermodynamic system, where streaming effects in the cell bulk and the surrounding are coupled with a Helfrich-type model for the cell membrane. The governing evolution equations for the cell given in a continuum formulation are derived using an energy variation approach. Such two-phase flow problems that combine streaming effects with a free boundary problem that accounts for bending and surface tension can be described effectively by a diffuse interface approach. An advantage of the diffuse interface approach is that models for e.g. different biophysical processes can easily be combined. That makes this method suitable to describe complex phenomena such as cell motility and multi-cell dynamics. Within the first model for cell motility, we combine a biological network for GTPases with the hydrodynamic Helfrich-type model. This model allows to account for cell motility driven by membrane protrusion as a result of actin polymerization. Within the second model, we moreover extend the Helfrich-type model by an active gel theory to account for the actin filaments in the cell bulk. Caused by contractile stress within the actin-myosin solution, a spontaneous symmetry breaking event occurs that lead to cell motility. In this thesis, we further study the dynamics of multiple cells which is of wide interest since it reveals rich non-linear behavior. To apply the diffuse interface framework, we introduce several phase field variables to account for several cells that are coupled by a local interaction potential. In a first application, we study white blood cell margination, a biological phenomenon that results from the complex relation between collisions, different mechanical properties and lift forces of red blood cells and white blood cells within the vascular system. Here, it is shown that inertial effects, which can become of relevance in various parts of the cardiovascular system, lead to a decreasing tendency for margination with increasing Reynolds number. Finally, we combine the active polar gel theory and the multi-cell approach that is capable of studying collective migration of cells. This hydrodynamic approach predicts that collective migration emerges spontaneously forming coherently-moving clusters as a result of the mutual alignment of the velocity vectors during inelastic collisions. We further observe that hydrodynamics heavily influence those systems. However, a complete suppression of the onset of collective migration cannot be confirmed. Moreover, we give a brief insight how such highly coupled systems can be treated numerically using finite elements and how the numerical costs can be limited using operator splitting approaches and problem parallelization with OPENMP<br>Diese Dissertation beschäftigt sich mit mathematischen Modellen zur Beschreibung von Gleichgewichts- und dynamischen Zuständen von verallgemeinerten biologischen Zellen. Die Zellen werden dabei als thermodynamisches System aufgefasst, bei dem Strömungseffekte innerhalb und außerhalb der Zelle zusammen mit einem Helfrich-Modell für Zellmembranen kombiniert werden. Schließlich werden durch einen Energie-Variations-Ansatz die Evolutionsgleichungen für die Zelle hergeleitet. Es ergeben sie dabei Mehrphasen-Systeme, die Strömungseffekte mit einem freien Randwertproblem, das zusätzlich physikalischen Einflüssen wie Biegung und Oberflächenspannung unterliegt, vereinen. Um solche Probleme effizient zu lösen, wird in dieser Arbeit die Diffuse-Interface-Methode verwendet. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass es sehr einfach möglich ist, Modelle, die verschiedenste Prozesse beschreiben, miteinander zu vereinen. Dies erlaubt es, komplexe biologische Phänomene, wie zum Beispiel Zellmotilität oder auch die kollektive Bewegung von Zellen, zu beschreiben. In den Modellen für Zellmotilität wird ein biologisches Netzwerk-Modell für GTPasen oder auch ein Active-Polar-Gel-Modell, das die Aktinfilamente im Inneren der Zellen als Flüssigkristall auffasst, mit dem Multi-Phasen-Modell kombiniert. Beide Modelle erlauben es, komplexe Vorgänge bei der selbst hervorgerufenen Bewegung von Zellen, wie das Vorantreiben der Zellmembran durch Aktinpolymerisierung oder auch die Kontraktionsbewegung des Zellkörpers durch kontraktile Spannungen innerhalb des Zytoskelets der Zelle, zu verstehen. Weiterhin ist die kollektive Bewegung von vielen Zellen von großem Interesse, da sich hier viele nichtlineare Phänomene zeigen. Um das Diffuse-Interface-Modell für eine Zelle auf die Beschreibung mehrerer Zellen zu übertragen, werden mehrere Phasenfelder eingeführt, die die Zellen jeweils kennzeichnen. Schließlich werden die Zellen durch ein lokales Abstoßungspotential gekoppelt. Das Modell wird angewendet, um White blood cell margination, das die Annäherung von Leukozyten an die Blutgefäßwand bezeichnet, zu verstehen. Dieser Prozess wird dabei bestimmt durch den komplexen Zusammenhang zwischen Kollisionen, den jeweiligen mechanischen Eigenschaften der Zellen, sowie deren Auftriebskraft innerhalb der Adern. Die Simulationen zeigen, dass diese Annäherung sich in bestimmten Gebieten des kardiovaskulären Systems stark vermindert, in denen die Blutströmung das Stokes-Regime verlässt. Schließlich wird das Active-Polar-Gel-Modell mit dem Modell für die kollektive Bewegung vom Zellen kombiniert. Dies macht es möglich, die kollektive Bewegung der Zellen und den Einfluss von Hydrodynamik auf diese Bewegung zu untersuchen. Es zeigt sich dabei, dass der Zustand der kollektiven gerichteten Bewegung sich spontan aus der Neuausrichtung der jeweiligen Zellen durch inelastische Kollisionen ergibt. Obwohl die Hydrodynamik einen großen Einfluss auf solche Systeme hat, deuten die Simulationen nicht daraufhin, dass Hydrodynamik die kollektive Bewegung vollständig unterdrückt. Weiterhin wird in dieser Arbeit gezeigt, wie die stark gekoppelten Systeme numerisch gelöst werden können mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode und wie die Effizienz der Methode gesteigert werden kann durch die Anwendung von Operator-Splitting-Techniken und Problemparallelisierung mittels OPENMP

Das humorale Immungedächtnis wird von reifen Plasmazellen des Knochenmarks vermittelt, welche bei Immunreaktionen aus aktivierten B-Lymphozyten gebildet werden. Dabei sind im Blut Plasmablasten als unmittelbare Vorläufer der Plasmazellen nachweisbar, die von dort aus in das Knochenmark einwandern. Anhand der durchflusszytometrischen Detektion spezifischer Plasmablasten gelang es hier, das simultane Auftauchen von Wellen neu generierter, migratorischer Plasmablasten und reifer, nicht-migratorischer Plasmazellen im Blut eine Woche nach einer Tetanusimpfung nachzuweisen. Plasmablasten und Plasmazellen lagen stets im Gleichgewicht vor, wodurch auf die stöchiometrische Mobilisierung reifer Plasmazellen des Knochenmarks durch systemisch induzierte Plasmablasten geschlossen wurde. Ein solcher Verdrängungsmechanismus wird hier erstmalig als Anpassungsmechanismus des humoralen Immungedächtnisses dargestellt, der die Aufnahme neuer Spezifitäten in das Gedächtnis unter Wahrung der Stabilität präexistierender Spezifitäten erlaubt. Anders als systemisch induzierte Plasmablasten, weisen Plasmablasten, die im immunologischen Ruhephase zirkulieren, Kennzeichen mukosaler Immunreaktionen auf: sie exprimieren IgA sowie die mukosalen Zellmigrationsrezeptoren alpha4beta7-Integrin und CCR10. Wahrscheinlich wandern sie in mukosale Plasmazelldepots ein und interferieren nicht mit den Plasmazellen des Knochenmarks, sodass die Stabilität des humoralen Gedächtnisses in der Ruhephase gewahrt bleibt. Eine Anpassung des humoralen Gedächtnisses findet somit nur im Rahmen systemischer Immunreaktionen statt. Bei splenektomierten Patienten und unter der B-Zell-Depletionstherapie bei Rheumapatienten bleiben mukosale Plasmablasten im Blut nachweisbar. Dies belegt deren autonome Bildung aus mukosalen, therapie-refraktären B-Zellen. Insgesamt wird hier eine bisher unbeachtete Komplexität menschlicher peripherer Plasmablasten und Plasmazellen und ihren Beziehungen zum humoralen Immungedächtnis dargestellt.<br>Humoral memory, i.e. persistence of specific antibody titers, is provided by plasma cells in the bone marrow, which are generated from activated B cells during immune responses. At this, immediate plasma cell precursors, the plasmablasts, migrate via the blood to the bone marrow. Using cytometric detection of antigen-specific plasmablasts, synchronous circulation of waves of recently generated, migratory plasmablasts and non migratory plasma cells with a mature phenotype was demonstrated one week after tetanus vaccination. Circulating plasmablast and plasma cell numbers were always in homeostasis, so that the stoichiometric mobilization of old bone marrow plasma cells by recently generated plasmablasts was hypothesized. This plasma cell replacement mechanism is herein described for the first time as an adaption mechanism of the humoral memory that allows incorporation of new antibody specificities while maintaining pre-existing ones. In immunological steady state, very low numbers of plasmablasts are detectable in any donor. These express IgA and receptors for mucosal homing, alpha4beta7 integrin and CCR10, and therefore most likely migrate into mucosal plasma cell depots and do not interfere with plasma cells of the bone marrow, preserving the stability of humoral memory during steady state. Hence, adaption of humoral memory is only possible during systemic immune reactions. Circulating mucosal plasmablasts produced during steady state remain detectable in patients with rheumatoid arthritis during B cell depletion therapy as well as in asplenic patients. Hence, this type of plasmablasts is self-sufficiently generated from mucosal B cells that are refractory to B cell depletion therapy. This work demonstrates a hitherto disregarded complexity of peripheral plasmablast and plasma cell subsets in healthy humans, with implications for the regulation of induction and maintenance of humoral memory.

The respiratory system is amongst the most important compartments in the human body. Due to its connection to the external environment, it is one of the most common portals of pathogen entry. Airborne pathogens like measles virus (MV) carried in liquid droplets exhaled from the infected individuals via a cough or sneeze enter the body from the upper respiratory tract and travel down to the lower respiratory tract and reach the alveoli. There, pathogens are captured by the resident dendritic cells (DCs) or macrophages and brought to the lymph node where immune responses or, as in case of MV, dissemination via the hematopoietic cell compartment are initiated. Basic mechanisms governing MV exit from the respiratory tract, especially virus transmission from infected immune cells to the epithelial cells have not been fully addressed before. Considering the importance of these factors in the viral spread, a complex close-to-in-vivo 3D human respiratory tract model was generated. This model was established using de-cellularized porcine intestine tissue as a biological scaffold and H358 cells as targets for infection. The scaffold was embedded with fibroblast cells, and later on, an endothelial cell layer seeded at the basolateral side. This provided an environment resembling the respiratory tract where MV infected DCs had to transmigrate through the collagen scaffold and transmit the virus to epithelial cells in a Nectin-4 dependent manner. For viral transmission, the access of infected DCs to the recipient epithelial cells is an essential prerequisite and therefore, this important factor which is reflected by cell migration was analyzed in this 3D system. The enhanced motility of specifically MV-infected DCs in the 3D models was observed, which occurred independently of factors released from the other cell types in the models. Enhanced motility of infected DCs in 3D collagen matrices suggested infection-induced cytoskeletal remodeling, as also verified by detection of cytoskeletal polarization, uropod formation. This enforced migration was sensitive to ROCK inhibition revealing that MV infection induces an amoeboid migration mode in DCs. In support of this, the formation of podosome structures and filopodia, as well as their activity, were reduced in infected DCs and retained in their uninfected siblings. Differential migration modes of uninfected and infected DCs did not cause differential maturation, which was found to be identical for both populations. As an underlying mechanism driving this enforced migration, the role of sphingosine kinase (SphK) and sphingosine-1-phosphate (S1P) was studied in MV-exposed cultures. It was shown in this thesis that MV-infection increased S1P production, and this was identified as a contributing factor as inhibition sphingosine kinase activity abolished enforced migration of MV-infected DCs. These findings revealed that MV infection induces a fast push-and-squeeze amoeboid mode of migration, which is supported by SphK/S1P axis. However, this push-and-squeeze amoeboid migration mode did not prevent the transendothelial migration of MV-infected DCs. Altogether, this 3D system has been proven to be a suitable model to study specific parameters of mechanisms involved in infections in an in vivo-like conditions<br>Die respiratorische System ist ein wesentlicher physiologischer Bestandteil. Durch die direkte und konstante Verbindung der Atemwege mit der äußeren Umgebung sind sie einer der häufigsten Pfade für den Eintritt von Krankheitserregern in den Körper. Luftübertragene Krankheitserreger wie das Masern-Virus (MV), das in Flüssigkeitströpfchen mitgeführt und von Patienten durch Husten oder Niesen ausgeatmet wird, können über die oberen Atemwege in den Körper gelangen und sich bis in die unteren Atemwege und bis zu den Alveolen ausbreiten. Dort werden diese Krankheitserreger von den dort residenten dendritischen Zellen (DC) oder Makrophagen erworben und zu sekundären lymphatischen Organen transportiert, in denen sowohl virus-spezifische Immunantworten, aber auch – wie im Falle von MV – die hämatogene Dissemination initiiert wird. Der Austrittsmechanismus des MV aus den Atemwegen, insbesondere dessen Übertragung von infizierten Immunzellen auf die Epithelzellen und die Faktoren, die diesen Ablauf bestimmen, wurden jedoch bisher unzureichend untersucht. In Anbetracht der Bedeutung dieser Faktoren für die Virusausbreitung wurde ein komplexes, realitätsnahes in-vivo 3D-Modell der menschlichen Atemwege erstellt. Dieses Modell wurde unter Verwendung von de-zellularisiertem Schweinedarmgewebe als biologischem Gerüst und H358 Epithelzellen als Empfänger etabliert. Dieses Grundgerüst wurde mit Fibroblastenzellen eingebettet. Später wurde auf der basolateralen Seite der Modelle eine Endothelzellschicht eingebracht, um eine Umgebung zu schaffen, die der der Atemwege ähnelt. Somit mussten die Virus-Donoren, MV-infizierte DC durch das Kollagengerüst wandern und das Virus auf Epithelzellen in einer Nektin-4 abhängigen Weise übertragen. Für die Virusübertragung ist der Zugang infizierter DC zu den Empfänger-Epithelzellen eine wesentliche Voraussetzung, weshalb dieser wichtige Faktor, der sich in der Zellmigration widerspiegelt, in diesem 3D-System analysiert wurde. Eine erhöhte Beweglichkeit spezifisch MV-infizierter DCs wurde in den 3D-Modellen beobachtet. Dies erwies sich als unabhängig von löslichen Faktoren der anderen Zelltypen in den Modellen. Erhöhte Beweglichkeit infizierten DCs wurde auch in 3D-Kollagenmatrizes gesehen, was auf einen infektionsvermittelten zytoskelettalen Umbau hindeutete, der auch anhand von Zytoskelettpolarisation und Uropodbildung bestätigt wurde. Die MV-Infektion induzierte einen schnellen amöboiden Migrationsmodus in den DCs, der sich als sensitiv gegenüber ROCK-Hemmung erwies. Im Gegensatz zu uninfizierten DCs gleichen Reifungsstadiums waren in infizierten DCs Podosomenstrukturen und Filopodien sowie deren Aktivität stark reduziert. Als potentiell zur verstärkten Motilität infizierter DCs beitragender Faktor wurde die Rolle der Sphingosinkinase (SphK) und des Sphingosin-1-phosphats (S1P) in MV-exponierten Kulturen untersucht. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die S1P-Produktion durch eine MV-Infektion erhöht wurde, und in der Tat zur für infizierte DCs beobachteten erhöhten Geschwindigkeit beitrug, da diese sensitiv gegenüber Hemmung der Sphingosinkinase-Aktivität war. Diese Ergebnisse zeigen, dass die MV-Infektion einen schnellen amöboid-artigen Migrationsmodus induziert, der von der SphK/S1P-Achse unterstützt wird. Dieser Push-and-Squeeze-Amoeboid-Migrationsmodus verhinderte jedoch nicht die transendotheliale Migration von MV-infizierten DCs. Insgesamt hat sich dieses 3D-System als geeignetes Modell erwiesen, um die spezifische Parameter von Mechanismen von Infektionen in einem in-vivo-ähnlichen Zustand zu untersuchen

Gegenstand der Arbeit: Es wurde der Einfluss einer Ausreifung dendritischer Zellen mit Poly(I:C), R848 und Prostaglandin E2 (=tlrDCs) zur Verwendung im Rahmen der Tumorvakzine untersucht. Für den Einsatz einer doppelten TLR-Stimulation gibt es zahlreiche zellphysiologische Gründe, wobei PGE2 als Motilitätsförderer eingesetzt wird. Es besitzt negative Teilwirkungen auf die Zytokinsekretion, eine verbesserte Migration stellt aber die wichtigste Stellgröße zur Optimierung der Tumorvakzine dar. Ergebnisse: Für tlrDCs konnte neben einer hohen Fähigkeit zu Migration und Kostimulation eine überlegene Immunstimulation für naive CTLs und TH1/TC1-Antworten in einem antigenspezifischen Primingmodell nachgewiesen werden. Eine Ausreifungsdauer von 16 h erscheint für die Zytokinsekretion der DCs günstig. Es lässt sich eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Generation von Central-Memory-T-Zellen und das T-Zell-Homing ins ZNS ableiten<br>Subject: This thesis investigated the impact of dendritic cell maturation with poly(I:C), R848 and prostaglandine E2 (=tlrDCs) for use in the context of tumor vaccines. There are several cell-physiological rationales for a dual TLR stimulation whilst PGE2 is acting as a promoter of mobility. It has partially negative effects on cytokine secretion, however improving migration is believed to be the most important variable for optimizing tumor vaccines. Results: Besides their high capacity in migration and co-stimulation tlrDCs showed superior immuno-stimulation for naive CTLs and TH1/TC1 responses in a model of antigen-specific priming. A maturation period of 16 h seemed to be favorable for cytokine secretion of DCs. A good chance for the generation of central memory T-cells and T-cell homing into the CNS can be deduced