Der zerstörungsfreien Charakterisierung und Analyse von lebenden humanen Zellen über ausreichend lange Zeiträume kommt bei zukünftigen zellbasierten Ansätzen in Medizin und Biotechnologie eine zentrale Rolle zu. Für eine therapeutische Nutzung müssen die Zellen nach der Analyse unverändert und vital vorliegen.

Ein viel versprechender Ansatz zur Lösung dieser Problematik beruht auf der Analyse von nanoskopischen Zellrückständen, die viele Zellen während der Migration über technischen Oberflächen hinterlassen. Bei diesen „Zellspuren“ handelt es sich um membranumhüllte schlauchartige Strukturen mit Durchmessern von ca. 120 Nanometern und Lägen von mehreren hundert Mikrometern, die in repräsentativer Weise Merkmale der molekularen Membrankomposition der Erzeugerzelle widerspiegeln. Um das Potential der Zellspuren biotechnologisch zu nutzen, muss deren Entstehungsprozess reproduzierbar kontrolliert werden können, insbesondere in Hinblick auf eine hochparallele und effiziente Auswertung des Informationsgehaltes der Spuren.

Im Zusammenhang mit dieser Thematik interessierten in der vorliegenden Arbeit folgende Fragestellungen: Wie korrelieren die Eigenschaften der Zellspuren mit dem Adhäsions- und Migrationsverhalten, sowie dem Aufbau der substratnahen Bereiche des Zytoskeletts der Erzeugerzellen? Wie und mit welchen oberflächenspezifischen Substrateigenschaften kann die Zellspurablage beeinflusst werden? Mit welchen optischen Methoden und unter welchen Bedingungen können die dynamische Prozesse Adhäsion, Zellmigration und die substratnahe Organisation des Zytoskeletts von lebenden Zellen über lange Zeiträume oberflächenspezifisch charakterisiert werden?

Als Ergebnis dieser Arbeit kann festgehalten werden, dass die Zellspurentstehung in unmittelbarem Zusammenhang mit der Migration steht. Adhäsionspunkte, die eine Zeit lang ortsfest auf dem Substrat hafteten, bleiben als Ausgangspunkte der Zellspuren zurück. Dabei beeinflusst das Muster der Zelladhäsion essenziell die Morphologie der Zellspur und kann durch beschichtete Oberflächen gezielt verändert werden. Weiterhin konnten die Zellspurentstehung am Aktinzytoskelett sowie neue wolken- und sternförmige Aktinstrukturen beobachtet werden. Durch den Einsatz topographisch strukturierter Oberflächen, deren Strukturmerkmale Dimensionen bis in den Sub-Mikrometer-Bereich besitzen, konnte eine ortsgenaue Ablage der Zellen mit vorgegebener Orientierung sowie eine definierte Ausrichtung von Teilen des Zytoskeletts erzielt werden.

Zur Langzeit-Analyse oberflächenspezifischer Prozesse lebender Zellen mit hoher optischer Qualität wurde die Totale Interne Reflexions Fluoreszenz (TIRF-) Mikroskopie genutzt. Zur Auswertung wurde eine einfache, auf Falschfarben beruhende Darstellungsweise der dynamischen Prozesse entwickelt.

Die hier erzielten Ergebnisse sollten eine solide Basis für die analytische Nutzung von Zellspuren und darüber hinaus für den gezielten Einsatz von Oberflächen für die Kontrolle des Zellverhaltens darstellen.