Dynamische Kraftspektroskopie von einzelnen Rezeptor-Ligand Paaren zu Interaktionen von Zellen

In dieser Arbeit werden Anwendungen der Kraftspektroskopie zur
Erforschung und Anwendung von nicht-kovalenten biologischen
Bindungen vorgestellt. Analysiert wurde die Bindungsstärke
einzelner Rezeptor-Ligand Bindungen und die Wechselwirkung von
Zellmonolayern. Als Anwendung der molekularen Erkennung wird die
Lokalisation von Zellen auf Grund ihrer spezifischen Wechselwirkung
vorgestellt. Durch den Vergleich der Bindungskräfte mehrerer
Rezeptoren zu einem Liganden lassen sich Aussagen über die
biologische Wirkung und Aufgabe einer Rezeptor-Ligand Bindung
treffen. Die Analyse der Trennkurven von biologisch relevanten
Zell/Zellmonolayer- oder großflächigen Zell/Protein-Kontakten
ergeben Einblicke in zeitliche Abläufe und involvierte Proteine bei
der Zelladhäsion. • Dynamische Kraftspektroskopie mit drei
verschiedenen Lektinen und zwei Liganden zeigten, daß die jeweilige
Bindungskraft in dem experimentell zugänglichen Bereich der
Ladungsrate über 3 Größenordnungen (100-10000 pN/sec) eine lineare
Abhängigkeit vom Logarithmus der Ladungsrate aufweist. Zusätzlich
sind die einzelnen Rezeptor-Ligand Systeme auf Grund ihrer
Bindungsstärke bei Ladungsraten größer als 700 pN/sec eindeutig zu
unterscheiden. Die Bindungsstärke, die für das schwächste Paar 34
pN und für das stärkste 58 pN bei 3000 pN/sec Ladungsrate beträgt,
läßt sich in Relation zur biologischen Wirkung setzen. • Mit Monte
Carlo und Wahrscheinlichkeitsdichte Simulationen konnte wegen der
experimentell gemessenen linearen Abhängigkeit der Bindungskraft
vom natürlichen Logarithmus der Ladungsrate die Breite oder
Reichweite des Bindungspotentials der jeweiligen Rezeptor-Ligand
Bindung bestimmt werden (4-10 Å). Die für die verschiedenen
Bindungen durchgeführten Simulationen zeigten, daß die berechnete
Breite des Potentials reziprok mit der gemessenen Dynamik der
Bindungsstärke korreliert. • Am Beispiel von Uterusepithel- und
Trophoblastzellen wurde gezeigt, daß mit dem Kraftmikroskop die
Bindungsfähigkeit von Zellen gemessen werden kann. Experimente mit
verschiedenen Modelloberflächen und die Variation der Kontaktzeit
machten deutlich, daß die Präsenz von Rezeptoren für
Zelladhäsionsproteine, wie z.B. Integrine für Fibronektin, in der
apikalen Membran und Kontaktzeiten länger als 20 min die notwendige
Voraussetzung für stabile interzelluläre Kontakte zwischen
Epithelzellen sind. Für kürzere Kontaktzeiten ist ein Modell mit
nicht vernetzten, membrangebundenen Bindungspartnern und deren
möglicher viskoser Anbindung an die Zelle erstellt worden. • In
einem gemischten Zellmonolayer aus Erythrozyten der Blutgruppe A
und O, sind die Zellen der Gruppe A, auf Grund der spezifischen
Wechselwirkung mit dem funktionalisierten Kraftsensor, mit einer
Affinitätsabbildung lokalisiert worden. Die spezifische
Lokalisation von Liganden an lebenden Zellen mit dem Kraftmikroskop
ist demnach mit dieser Technik möglich.