TY - THES A1 - Nagel, Oliver T1 - Amoeboid cells as a transport system for micro-objects T1 - Amöboide Zellen als Transportsystem für Mikroobjekte N2 - Due to advances in science and technology towards smaller and more powerful processing units, the fabrication of micrometer sized machines for different tasks becomes more and more possible. Such micro-robots could revolutionize medical treatment of diseases and shall support to work on other small machines. Nevertheless, scaling down robots and other devices is a challenging task and will probably remain limited in near future. Over the past decade the concept of bio-hybrid systems has proved to be a promising approach in order to advance the further development of micro-robots. Bio-hybrid systems combine biological cells with artificial components, thereby benefiting from the functionality of living biological cells. Cell-driven micro-transport is one of the most prominent applications in the emerging field of these systems. So far, micrometer sized cargo has been successfully transported by means of swimming bacterial cells. The potential of motile adherent cells as transport systems has largely remained unexplored. This thesis concentrates on the social amoeba Dictyostelium discoideum as a potential candidate for an amoeboid bio-hybrid transport system. The use of this model organism comes with several advantages. Due to the unspecific properties of Dictyostelium adhesion, a wide range of different cargo materials can be used for transport. As amoeboid cells exceed bacterial cells in size by one order of magnitude, also the size of an object carried by a single cell can also be much larger for an amoeba. Finally it is possible to guide the cell-driven transport based on the chemotactic behavior of the amoeba. Since cells undergo a developmentally induced chemotactic aggregation, cargo could be assembled in a self-organized manner into a cluster. It is also possible to impose an external chemical gradient to guide the amoeboid transport system to a desired location. To establish Dictyostelium discoideum as a possible candidate for bio-hybrid transport systems, this thesis will first investigate the movement of single cells. Secondly, the interaction of cargo and cells will be studied. Eventually, a conceptional proof will be conducted, that the cheomtactic behavior can be exploited either to transport a cargo self-organized or through an external chemical source. N2 - Durch die Fortschritte in Wissenschaft und Technik hin zu kleineren und leistungsfähigeren Prozessoren wird die Herstellung von Maschinen mit einer Größe von wenigen Mikrometern immer wahrscheinlicher. Solche Mikro-Roboter könnten sowohl die medizinische Behandlung von Krankheiten revolutionieren als auch dabei helfen andere kleine Maschinen zu bauen. Nichts desto trotz ist es eine komplizierte Aufgabe Roboter sowie andere Maschinen zu verkleinern und wird in naher Zukunft wohl nur begrenzt möglich sein. Im Verlauf des letzten Jahrzehnts hat sich das Konzept der Bio-Hybridsysteme als ein vielversprechender Ansatz entwickelt, um Mikro-Roboter weiter zu entwickeln. Bio-Hybridsysteme kombinieren biologische Zellen mit künstlichen Komponenten, um so einen Vorteil aus der Funktionalität lebender biologischer Zellen zu ziehen. Der zellgetriebene Mikro-Transport ist eine der bekanntesten Anwendungen in dem wachsenden Feld dieser Systeme. Bisher wurde mikrometergroße Fracht erfolgreich mit Hilfe von schwimmenden Bakterien transportiert. Das Potential beweglicher, adhärenter Zellen als Transportsystem blieb bisher weitgehend unerforscht. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der sozialen Amöbe Dictyostelium discoideum als einen potentiellen Kandidaten für ein auf Amöben basiertes Bio-Hybridtransportsystem. Die Nutzung dieses Modellorganismus bringt einige Vorteile mit sich. Auf Grund der unspezifischen Adhäsion von Dictyostelium ist es möglich eine Vielzahl von verschiedenen Frachtmaterialien für den Transport zu nutzen. Da Amöben um eine Größenordnung größer sind als Bakterien, können auch die Objekte, die eine einzelne Amöbe transportieren kann um einiges größer sein, als bei einer einzelnen Bakterie. Desweiteren ist noch möglich den zellgetrieben Transport durch das chemotaktische Verhalten der Amöben zu steuern. Da die Zellen im Verlauf ihres Lebenszyklus’ eine entwicklungsinduzierte chemotaktische Aggregation durchlaufen, ist es möglich, die Fracht in einer selbstorganisierten Art und Weise in Aggregate zusammen zu führen. Es ist auch möglich einen externen chemotaktischen Stimulus zu generieren, um das auf Amöben basierende Transportsystem zu einer gewünschten Position zu lenken. Um Dictyostelium discoideum als denkbaren Kandidaten für ein Bio-Hybridtransportsystem zu etablieren, wird in dieser Arbeit zuerst die Bewegung einzelner Zellen untersucht. Als zweites wird die Interaktion von Zellen und Fracht studiert. Zum Schluss wird ein konzeptioneller Beweis geführt, dass das chemotaktische Verhalten der Zellen genutzt werden kann, um eine Fracht entweder selbstorganisiert oder mit Hilfe eines externen Stimulus zu transportieren. KW - bio-hybrid KW - dicytostelium KW - chemotaxsis KW - Bio-Hybrid KW - Dicytostelium KW - Chemotaxsis Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442192 ER - TY - THES A1 - Schindler, Daniel T1 - Mathematical modeling and simulation of protrusion-driven cell dynamics T1 - Mathematische Modellierung und Simulation von amöboiden Zelldynamiken N2 - Amoeboid cell motility takes place in a variety of biomedical processes such as cancer metastasis, embryonic morphogenesis, and wound healing. In contrast to other forms of cell motility, it is mainly driven by substantial cell shape changes. Based on the interplay of explorative membrane protrusions at the front and a slower-acting membrane retraction at the rear, the cell moves in a crawling kind of way. Underlying these protrusions and retractions are multiple physiological processes resulting in changes of the cytoskeleton, a meshwork of different multi-functional proteins. The complexity and versatility of amoeboid cell motility raise the need for novel computational models based on a profound theoretical framework to analyze and simulate the dynamics of the cell shape. The objective of this thesis is the development of (i) a mathematical framework to describe contour dynamics in time and space, (ii) a computational model to infer expansion and retraction characteristics of individual cell tracks and to produce realistic contour dynamics, (iii) and a complementing Open Science approach to make the above methods fully accessible and easy to use. In this work, we mainly used single-cell recordings of the model organism Dictyostelium discoideum. Based on stacks of segmented microscopy images, we apply a Bayesian approach to obtain smooth representations of the cell membrane, so-called cell contours. We introduce a one-parameter family of regularized contour flows to track reference points on the contour (virtual markers) in time and space. This way, we define a coordinate system to visualize local geometric and dynamic quantities of individual contour dynamics in so-called kymograph plots. In particular, we introduce the local marker dispersion as a measure to identify membrane protrusions and retractions in a fully automated way. This mathematical framework is the basis of a novel contour dynamics model, which consists of three biophysiologically motivated components: one stochastic term, accounting for membrane protrusions, and two deterministic terms to control the shape and area of the contour, which account for membrane retractions. Our model provides a fully automated approach to infer protrusion and retraction characteristics from experimental cell tracks while being also capable of simulating realistic and qualitatively different contour dynamics. Furthermore, the model is used to classify two different locomotion types: the amoeboid and a so-called fan-shaped type. With the complementing Open Science approach, we ensure a high standard regarding the usability of our methods and the reproducibility of our research. In this context, we introduce our software publication named AmoePy, an open-source Python package to segment, analyze, and simulate amoeboid cell motility. Furthermore, we describe measures to improve its usability and extensibility, e.g., by detailed run instructions and an automatically generated source code documentation, and to ensure its functionality and stability, e.g., by automatic software tests, data validation, and a hierarchical package structure. The mathematical approaches of this work provide substantial improvements regarding the modeling and analysis of amoeboid cell motility. We deem the above methods, due to their generalized nature, to be of greater value for other scientific applications, e.g., varying organisms and experimental setups or the transition from unicellular to multicellular movement. Furthermore, we enable other researchers from different fields, i.e., mathematics, biophysics, and medicine, to apply our mathematical methods. By following Open Science standards, this work is of greater value for the cell migration community and a potential role model for other Open Science contributions. N2 - Amöboide Zellmotilität findet bei einer Vielzahl biomedizinischer Prozesse wie Krebsmetastasierung, embryonaler Morphogenese und Wundheilung statt. Im Gegensatz zu anderen Formen der Zellmotilität wird sie hauptsächlich durch erhebliche Formveränderungen der Zelle angetrieben. Sie beruht auf dem Zusammenspiel von explorativen Membranausstülpungen an der Vorderseite und einem langsamer wirkenden Membraneinzug an der Rückseite. Die Komplexität amöboider Zellmotilität machen neue Berechnungsmodelle erforderlich, um die Dynamik der Zellform mathematisch fundiert zu analysieren und zu simulieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung (i) eines mathematischen Frameworks zur Beschreibung der Konturendynamik in Zeit und Raum, (ii) eines Computermodells, um Eigenschaften der Membranveränderungen von einzelnen Zellen zu inferieren und gleichzeitig realistische Konturdynamiken zu simulieren, (iii) und eines ergänzenden Open-Science-Ansatzes, um die oben genannten Methoden vollständig zugänglich und leicht anwendbar zu machen. Auf der Grundlage von aufeinander folgenden Mikroskopiebildern vom Modellorganismus Dictyostelium discoideum, wenden wir einen Bayesschen Ansatz an, um glatte Darstellungen der Zellmembran, sogenannte Zellkonturen, zu erhalten. Wir führen eine einparametrige Familie von regularisierten Konturflüssen ein, um Referenzpunkte auf der Kontur (virtuelle Marker) in Zeit und Raum zu verfolgen. Auf diese Weise definieren wir ein Koordinatensystem zur Visualisierung lokaler geometrischer und dynamischer Größen der individuellen Konturdynamiken in sogenannten Kymographen-Plots. Insbesondere führen wir die lokale Marker-Dispersion ein, mit der signifikante Membranveränderungen identifiziert werden können. Dieses mathematische Framework bildet die Grundlage für unser neues Modell zur Beschreibung von Konturendynamiken. Es besteht aus drei biophysiologisch motivierten Komponenten: einem stochastischen Term, der die Membranausstülpungen steuert, und zwei deterministischen Termen, die das Membraneinziehen, unter Berücksichtigung der Konturform und -fläche, steuern. Unser Modell bietet einen vollautomatisierten Ansatz zur Inferrenz der Charakteristiken von Membranveränderungen für experimentelle Zelldaten. Außerdem ermöglicht es die Simulation von realistischen und qualitativ unterschiedlichen Konturendynamiken. Mit dem ergänzenden Open-Science-Ansatz setzen wir einen hohen Standard hinsichtlich der Nutzbarkeit unserer Methoden und der Reproduzierbarkeit unserer Forschung. In diesem Kontext stellen wir die Softwarepublikation AmoePy vor, ein Open-Source-Pythonpaket zur Segmentierung, Analyse und Simulation von amöboider Zellmotilität. Darüber hinaus beschreiben wir Maßnahmen zur Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit und Erweiterbarkeit, z. B. durch detaillierte Ausführanweisungen und eine automatisch generierte Quellcodedokumentation, und zur Gewährleistung der Funktionalität und Stabilität, z. B. durch automatische Softwaretests, Datenvalidierung und eine hierarchische Paketstruktur. Die mathematischen Methoden dieser Arbeit stellen wesentliche Verbesserungen in der Modellierung und Analyse der amöboiden Zellmotilität dar. Wir sind der Ansicht, dass die oben genannten Methoden aufgrund ihrer Verallgemeinerbarkeit von größerem Wert für andere wissenschaftliche Anwendungen sind und potentiell einsetzbar in verschiedenen Wissenschaftsfeldern sind, u. a. Mathematik, Biophysik und Medizin. Durch die Einhaltung von Open-Science-Standards ist diese Arbeit von größerem Wert und ein potenzielles Vorbild für andere Open-Science-Beiträge. KW - amöboide Bewegung KW - Zellmotilität KW - mathematische Modellierung KW - offene Wissenschaft KW - amoeboid motion KW - cell motility KW - mathematical modeling KW - open science Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613275 ER -