Unicellular Parasite Motility: A Quantitative Perspective
Einzelligen Parasiten Motilität: Quantitativer Sicht
by Sravanti Uppaluri
Date of Examination:2011-06-27
Date of issue:2011-08-18
Advisor:Dr. Thomas Pfohl
Referee:Dr. Thomas Pfohl
Referee:Prof. Dr. Dr. Detlev Schild
Referee:Prof. Dr. Marc Timme
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The question of how single cells swim is of primary medical importance - especially in the case of pathogenic parasites. Biochemical and cell biological studies have helped elucidate many of the protein building blocks, and chemical interactions involved in motility. However, a complete understanding of microswimmers necessitates a physical and quantitative understanding of swimming mechanisms. In this context, the motility of the parasite Trypanosoma brucei brucei is characterized in biomimetic environments. Trypanosomes, unicellular parasites, cause deadly diseases in humans and cattle in Africa and South America. They are transferred to a mammalian host through an insect vector and thrive within the blood stream and eventually invade the central nervous system. The parasite propels itself through these diverse environments with the aid of a flagellum. In a minimal homogeneous nutrient rich environment, cells exhibit one of three motility modes distinguishable by their directional persistence. Directional cells take on a straighter shape, while cells that exhibit little net displacement appear more bent. Ascribing the cell body to a worm like chain, we use the cell end to end distance (from base to tip) as a measure of cell stiffness and find that the elongated shape associated with higher directionality is also correlated with higher stiffness. Cell trajectories show a persistence in average swimming direction on the order of 15 s. Further, correlation analysis using high speed microscopy data of 1 kHz uncovered an additional relaxation time arising from strong body distortions in the range of 20 to 100 ms. Random walk models are formulated to describe the motility modes as well as the fast distortions of the cell body. In polymer networks and more viscous environments such as those found in the extracellular matrix, trypanosomes swimming speed is reduced. However, some directionally persistent trypanosomes are found to tunnel their way through networks with mesh sizes smaller than the diameter of the cell. Other cells show little net movement as shown by scaling analysis and appear to probe the elasticity of the network. We show that the movement of these cells can be used to describe the relative differences in elasticity of actin and collagen networks towards a new concept of active microrheology . Trypanosomes are found to exhibit a propensity to swim close to containing boundary walls and are highly aligned to these boundaries. Using microfluidic channels, trypanosomes suspended in culture medium subjected to flow experience a lift force away from vessel walls and migrate to the center. Purely hydrodynamic effects arising from the trypanosome s shape and density are distinguished from effects of cell motility by comparing with immobilized trypanosome behaviour. We find that the most striking differences in the behaviour between live and immobilized cells arise at flow velocities below 0.1 mm/s (more than ten times the self propelling speed of trypanosomes). In this range of resulting shear stresses, trypanosomes exhibit a velocity dependent oscillatory motion swimming upstream from one side of the channel to the other. Immobilized cells tumble in flow, and unlike active cells, do not exhibit an orientational preference. Replacing the suspending medium with whole blood, does not result in significant differences in the center of mass distribution of trypanosomes. However utilizing a constriction-expansion geometry to mimic the cell free layer near the blood vessel walls, we demonstrate that like white blood cells, trypanosomes are expelled by red blood cells toward the boundaries due to differences in cell stiffness. These studies are pertinent to our understanding of how trypanosomes are able to approach vessel walls and invade membrane barriers, including the blood brain barrier for entry into the central nervous system, despite the high shear stresses of blood flow. The present work demonstrates that a quantitative, physical approach uncovers fascinating details of low Reynolds number swimmers.
Keywords: Unicellular motility; quantitative analysis; parasite motility; trypanosoma; biophysics; flagellum
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Die Bewegungsmuster und das Schwimmverhalten von Einzellern, speziell im Fall pathogener Parasiten, werfen eine Anzahl von Fragen mit großer medizinischer Bedeutung auf. Zwar haben biochemische und zellbiologische Studien zur Aufklärung der involvierten Proteine und der chemischen Wechselwirkungen im Zusammenhang mit der Motilität große Dienste erwiesen, jedoch erfordert eine vollständige Analyse und Charakterisierung von Mikroschwimmern drüber hinaus ein physikalisches und quantitatives Verständnis der vorherrschenden Schwimmmechanismen. In diesem Zusammenhang wird in dieser Arbeit die Motilität des Parasiten Trypanosoma brucei brucei in biomimetischen Umgebungen untersucht. Trypanosomen, einzellige Parasiten, verursachen Krankheiten bei Mensch und Rindern in Afrika und Südamerika, die tödlich verlaufen können. Die einzelligen Parasiten werden auf den Säugetierwirt über Insektenvektoren übertragen, leben und vermehren sich in der Blutbahn, bis sie letztlich in das zentrale Nervensystem eindringen. In diesen sehr unterschiedlichen Umgebungen im Körper des Wirtes bewegen sich die Trypanosomen mit der Hilfe eines Flagellums. In Nährmedium zeigen die Einzeller einen von drei möglichen Motilitätsmodi, welche sich in der Persistenz der Bewegungsrichtung unterscheiden. Trypanosomen mit einer ausgeprägten Richtungspersistenz haben eine überwiegend ausgestreckte Zellform, wohingegen Zellen, die keine Richtungspersistenz aufweisen, stärker gekrümmt erscheinen. Mit einem vereinfachten worm-like-chain -Modell kann aus dem End-zu-End-Abstand (von der Basis zum Kopfende) des Einzellers die Zellsteifigkeit abgeschätzt werden. Dabei zeigt sich, dass die gestreckten, mit größerer Richtungspersistenz assoziierten Zellen mit einer größeren Steifigkeit korrelieren. Diese Zellen zeigen eine Persistenz in der Schwimmrichtung über einen Zeitraum von etwa 15 s. Korrelationsanalysen mit Hilfe von hochauflösender Mikroskopie mit Bildraten von 1 kHz deckt eine zusätzliche Relaxationszeit im Bereich von 20 bis 100 ms auf, die auf starke Zellverformungen zurückzuführen ist. Random walk -Modelle können formuliert werden, um die Motilitätsmodi sowie die schnellen Verformungen des Zellkörpers zu beschreiben. In Polymernetzwerken und höher viskosen Umgebungen, wie sie in der extrazellulären Matrix gefunden werden, ist die Schwimmgeschwindigkeit der Trypanosomen reduziert. Einige Trypanosomen mit starker Richtungspersistenz können sich jedoch durch Netzwerke bewegen, deren Maschenweite kleiner als der Zelldurchmesser ist. Andere Zellen führen, wie eine Skalenanalyse zeigt, lediglich eine geringe Nettobewegung aus und scheinen die Elastizität des Netzwerks zu ertasten . Dabei können wir zeigen, dass die Beweglichkeit dieser Zellen verwendet werden kann, um die relativen Differenzen in der Elastizität von Aktin- und Kollagennetzwerken zu beschreiben, was ein neues Konzept von aktiver Mikrorheologie sein könnte. Trypanosomen zeigen die Neigung nahe an Wänden zu schwimmen und eine bevorzugte Orientierung zu den Wänden einzunehmen. In Mikrofluidikkanälen erfahren Trypanosomen, die in Kulturmedium suspendiert und einer hydrodynamischen Strömung ausgesetzt sind, einen Auftrieb weg von den Gefäßwänden und wandern zum Zentrum des Kanals. Der Vergleich mit unbeweglichen Trypanosomen, deren Bewegung reversibel eingefroren werden kann, ermöglicht es, Effekte der Zellmotilität von rein hydrodynamischen Effekten zu unterschieden, welche aufgrund der Form und Dichte der Zellen auftreten. Die auffälligsten Unterschiede im Verhalten zwischen beweglichen und unbeweglichen Zellen werden bei Strömungsgeschwindigkeiten unter 0.1 mm/s beobachtet (mehr als das Zehnfache der Eigengeschwindigkeit der Trypanosomen). In diesem Bereich der durch die Strömung resultierenden Scherspannungen zeigen Trypanosomen eine geschwindigkeitsabhängige oszillatorische Bewegung - sie schwimmen stromaufwärts von einer Seite des Kanals zur anderen. Unbewegliche Zellen taumeln dagegen in der Strömung und im Gegensatz zu aktiven, beweglichen Zellen zeigen sie keine Vorzugsorientierung. Wird das Suspensionsmedium gegen Vollblut ausgetauscht, werden keine signifikanten Unterschiede in der Verteilung der Massenschwerpunkte der Trypanosomen gefunden. Unter der Verwendung einer mikrofluidischen Verengungs-Expansions-Geometrie, um die zellenfreie Schicht nahe der Blutgefäßwand nachzuahmen, können wir jedoch zeigen, dass Trypanosomen, ähnlich wie weiße Blutzellen, aufgrund der Unterschiede in der Zellsteifigkeit und Beweglichkeit von roten Blutzellen in Richtung der Wände gedrängt werden. Diese Untersuchungen decken sich mit unserem Verständnis, wie sich die Trypanosomen Gefäßwänden nähern und in einem nächsten Schritt in Membranbarrieren eindringen können. Dies schließt die Invasion in das zentrale Nervensystem über die Blut-Hirn-Schranke trotz der hohen Scherspannungen aufgrund der Blutströmung mit ein. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie eine quantitative, physikalische Herangehensweise faszinierende Details von Schwimmern bei niedrigen Reynoldszahlen aufdecken kann.
Schlagwörter: Einzellige Motilität; quantitative Analyse; Parasiten Motilität; Trypanosoma; Biophysik; Flagellum