Probing Cytoskeletal Scaffolding and Mechanical Integrity of Cells in Disease with Atomic Force Microscopy

The morphological, structural, and mechanical alterations of cancer cells are pivotal during cancer development, facilitating effective metastasis. In this regard, understanding cytoskeletal changes in cancer is essential for developing targeted therapeutic strategies aimed at disrupting cancer cells’ progression in invasion, and metastasis through cytoskeletal manipulations. In this dissertation high-resolution quantitative nanomechanical characterization, 3D stiffness tomography, and 3D confocal microscopy were employed to examine the cellular cytoskeleton scaffolding and its integrity within cancer cells. This in-depth exploration of mechanical and physical variances associated with cellular transformations in cancer provided an extensive analysis of the mechanical and dynamic changes of cytoskeletal elements in epithelial-type progressive cancers through several contact mechanics models and filaments’ persistence length measure. Our investigation primarily centered on breast cancer cells, highlighting the roles of microtubules and the cytolinker protein plectin in reducing cellular stiffness compared to normal cells. These findings were then extrapolated to other lethal cancers, including those affecting the liver, lung, and skin, to understand broader implications. We found significant variability in cytoskeletal filament expression and configuration, primarily due to the positioning of basal microtubules caused by cytoskeletal cross-linking disruptions. Paclitaxel, a cytoskeletal stabilizing drug, was shown to restore the microtubule network and plectin cytoskeletal structure in invasive carcinoma cells. It facilitated the reassembly of microtubules beneath the cell membrane and repositioned plectin, enhancing cellular mechanical integrity. Additionally, paclitaxel increased the correlation between tubulin and actin, suggesting enhanced cytoskeletal organization. This reorganization involving the three primary cytoskeletal components, may reduce the malignant cell's ability to extend across the anatomical micropores, that requires further study.

Die morphologischen, strukturellen und mechanischen Veränderungen von Krebszellen sind während der Krebsentwicklung von entscheidender Bedeutung und erleichtern die Metastasierung. In dieser Hinsicht ist das Verständnis der Veränderungen des Zytoskeletts bei Krebs wesentlich für die Entwicklung gezielter therapeutischer Strategien, die darauf abzielen, das Fortschreiten der Krebszellen bei der Invasion und Metastasierung durch Manipulationen des Zytoskeletts zu stören. In dieser Dissertation wurden hochauflösende quantitative nanomechanische Charakterisierung, 3D-Steifigkeitstomographie und 3D-Konfokalmikroskopie eingesetzt, um das zelluläre Zytoskelettgerüst und seine Integrität in Krebszellen zu untersuchen. Diese eingehende Untersuchung mechanischer und physikalischer Veränderungen, die mit zellulären Veränderungen bei Krebs einhergehen, ermöglichte eine umfassende Analyse der mechanischen und dynamischen Veränderungen von Zytoskelett-Elementen bei fortschreitendem epithelialem Krebs durch verschiedene Kontaktmechanik-Modelle und die Messung der Persistenzlänge von Filamenten. Unsere Untersuchung konzentrierte sich in erster Linie auf Brustkrebszellen, wobei die Rolle der Mikrotubuli und des Zytolinkerproteins Plectin bei der Verringerung der Zellsteifigkeit im Vergleich zu normalen Zellen hervorgehoben wurde. Diese Ergebnisse wurden dann auf andere tödlich verlaufende Krebsarten, einschließlich Leber-, Lungen- und Hautkrebs, übertragen, um weitergehende Auswirkungen zu verstehen. Wir stellten eine erhebliche Variabilität in der Expression und Konfiguration der Zytoskelettfilamente fest, die in erster Linie auf die Positionierung der basalen Mikrotubuli aufgrund von Störungen der Zytoskelettvernetzung zurückzuführen ist. Paclitaxel, ein das Zytoskelett stabilisierendes Medikament, stellte das Mikrotubuli-Netzwerk und die Plektin-Zytoskelettstruktur in invasiven Karzinomzellen nachweislich wieder her. Es erleichterte den Wiederaufbau der Mikrotubuli unter der Zellmembran und positionierte das Plektin neu, wodurch die mechanische Integrität der Zelle verbessert wurde. Außerdem erhöhte Paclitaxel die Korrelation zwischen Tubulin und Aktin, was auf eine verbesserte Organisation des Zytoskeletts hindeutet. Diese Reorganisation, an der die drei primären Komponenten des Zytoskeletts beteiligt sind, könnte die Fähigkeit der bösartigen Zelle verringern, sich über die anatomischen Mikroporen hinaus auszudehnen, was weitere Untersuchungen erfordert.