Nanomechanics in skin cells’ interactions

Abstract

W obecnych czasach stosuje się różnorodne metody badawcze do pozyskiwania nowych, dodatkowych informacji dotyczących różnego rodzaju schorzeń i chorób pojawiających się w społeczeństwie. Głównym celem badaczy jest poszerzenie możliwości szybszego diagnozowania i leczenia pacjentów. W ostatnich latach zarówno badania fizyczne jak i biofizyczne nabierają ogromnego znaczenia i stają się jednymi z podstawowych narzędzi badawczych i diagnostycznych. Jedną z metod wykorzystywanych do badań w wielu dziedzinach jest skaningowa mikroskopia sił atomowych (ang. Atomic Force Microscopy, AFM). Technika ta jest obecnie wykorzystywana między innymi do badań zmian własności mechanicznych żywych komórek, które wskazują na zmiany zachodzące w ich funkcjonowaniu. Właściwości nanomechaniczne komórek wydają się być również obiecującym markerem zależnym od zmian zachodzących w samej strukturze komórki, w efekcie zmian chorobowych. Głównym celem niniejszej rozprawy było badanie zmian oraz roli własności mechanicznych żywych komórek, zachodzących w procesach gojenia ran i powstawaniu czerniaka. W tym celu użyto nowatorskiego podejścia prowadzenia hodowli komórkowych polegającego na wymieszaniu ze sobą dwóch rodzajów komórek pochodzących ze skóry ludzkiej. Mieszanina składająca się z keratynocytów i fibroblastów została wykorzystana do badania oddziaływań, które występują pomiędzy komórkami uczestniczącymi w procesie gojenia ran. Mieszaniny komórek czerniaka z fibroblastami lub keratynocytami pozwoliły zbadać odpowiedź mechaniczną pochodzącą z komórek, które w procesie powstawania czerniaka kontaktują się ze sobą i wzajemnie na siebie oddziaływają. Uzyskane wyniki pokazały zmiany własności elastycznych żywych komórek występują w procesach gojenia ran oraz powstaniu czerniaka. Komórki dostosowują swoje własności mechaniczne do środowiska zewnętrznego zmniejszając bądź zwiększając nanomechniczną odpowiedź na określone warunki. Pomiary elastyczności pokazały wzrost deformowalności komórek czerniaka w obecności fibroblastów, związaną z większą zdolnością komórek do formowania przerzutów. Brak zmian elastyczności tych komórek o środowisku zawierającym keratynocyty wskazuje na wysoki stopień adaptacji komórek czerniaka do zmiennych warunków zewnętrznych.

Nowadays, a broad range of research methods is used to gather additional information about various kinds of diseases that appear in society. The main goal of researchers is to expand the possibilities of faster diagnosis and treatment of patients. In recent years, both physical and biophysical tests have become extremely important and they are one of the basic research and diagnostic tools. One of the methods extensively used in many research fields is Atomic Force Microscopy (AFM). This technique is currently used, among others, to study changes in mechanical properties of alive cells as they indicate alterations in various cellular functions. Nanomechanical properties seem to be a promising marker dependent on changes taking place in the cell structure resulting from pathological alterations. The main objective of the presented thesis was to ascertain how mechanical properties of living cells change in the processes of wound healing and melanoma formation. For this purpose, an innovative approach of conducting cell cultures was elaborated basing on the mixing of two types of cells originating from skin. Co-cultures consisting of keratinocytes and fibroblasts were used to study the interactions occurring between these cells in the process of wound healing. Mixtures of melanoma cells either with fibroblasts or with keratinocytes allowed to study the mechanical response from mutually interacting cells involved in the melanoma progression. Obtained results indicate that alterations in elastic properties of living cells accompany both wound healing and melanoma progression. Cells adapt their mechanical properties to the external environment, reduce or increase their stiffness in response to given conditions. Elasticity measurements revealed an increase in deformability of melanoma cells in the presence of fibroblasts. This enhance the ability of cancer cells to form metastases. Lack of changes in mechanical properties of melanoma cells in the presence of keratinocytes indicate high level of cellular adaptability to changing external conditions.