Unicellular Parasite Motility: A Quantitative Perspective

Abstract

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.