Nanoscale imaging of restricted cell membrane receptor diffusion

by Tischer, Christian

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue bildgebende Methode zur Untersuchung der Diffusion in heterogenen Medien auf der Nanometerskala entwickelt (TNIM - Thermal Noise Imaging Microscopy). Die TNI-Mikroskopie wurde gezielt benutzt, um zu erforschen, ob die Beweglichkeit von Zellmembranrezeptoren durch laterale Nanostrukturen in der Membran beeinflusst wird. Bei der TNI-Mikroskopie wird die Diffusion eines Sondenpartikels mit Hilfe einer optischen Falle auf einen submikroskopischen Raumbereich limitiert und dort mit Nanometer räumlicher und Mikrosekunden zeitlicher Auflösung verfolgt. Damit kann die Position von diffusionsbehindernden Nanostrukturen bestimmt werden. Gleichzeitig wird erfasst wie die Mobilität des Partikels durch hydrodynamische Kopplung zu den beobachteten Strukturen beeinflusst wird. Mit Hilfe der TNI-Mikroskopie konnten existierende hydrodynamische Theorien, die die dreidimensionale Mobilität einer Kugel für unterschiedliche Abstände zu einer Grenzfläche beschreiben, mit bisher unerreichter Genauigkeit bestätigt werden. Für die zweidimensionalen Diffusionsmessungen in der Zellmembran wurde ein Nanopartikel an den epidermalen Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR - Epidermal Growth Factor Receptor) gebunden. Die Analyse der Partikelbewegung zeigte nanoskopische Areale, die die Diffusion des Rezeptors stark beschränken, wobei sich die Position und Größe der unzugänglichen Areale im Sekundenbereich verändern kann. Der Vergleich mit einem lipidverankertem Protein ergab, dass die Areale vom beobachteten Protein abhängig sind. Des Weiteren wurden deutliche Hinweise darauf gefunden, dass die Diffusion des Rezeptors auf der Nanometerskala von der Lipiddoppelschichtstruktur der Zellmembran dominiert, auf Mikrometerskala jedoch durch die unzugänglichen Areale stark verlangsamt wird. Im letzten Teil der Arbeit wird analysiert wie die Beschränkung der Rezeptormobilität dessen Aktivierungskinetik und die laterale Informationsausbreitung in der Membran beeinflusst.