Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study

(English) This thesis explores the molecular mechanisms underpinning leukocyte adhesion and migration, with a primary focus on the mechanobiology of integrin Lymphocyte function-associated antigen 1 (LFA-1). Integrins are key mediators of cell adhesion, which are pivotal in immune response and facil...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Lau, Lukas
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2024
País:España
Institución:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Repositorio:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:upcommons.upc.edu:2117/454950
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/2117/454950
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-454950
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
577 - Bioquímica. Biologia molecular. Biofísica
612 - Fisiologia
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
id ES_e49f3488dbc9de2995e911f6998cf2d2
oai_identifier_str oai:upcommons.upc.edu:2117/454950
network_acronym_str ES
network_name_str España
repository_id_str
dc.title.none.fl_str_mv Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study
title Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study
spellingShingle Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study
Lau, Lukas
621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
577 - Bioquímica. Biologia molecular. Biofísica
612 - Fisiologia
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
title_short Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study
title_full Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study
title_fullStr Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study
title_full_unstemmed Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study
title_sort Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking study
dc.creator.none.fl_str_mv Lau, Lukas
author Lau, Lukas
author_facet Lau, Lukas
author_role author
dc.subject.none.fl_str_mv 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
577 - Bioquímica. Biologia molecular. Biofísica
612 - Fisiologia
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
topic 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
577 - Bioquímica. Biologia molecular. Biofísica
612 - Fisiologia
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
description (English) This thesis explores the molecular mechanisms underpinning leukocyte adhesion and migration, with a primary focus on the mechanobiology of integrin Lymphocyte function-associated antigen 1 (LFA-1). Integrins are key mediators of cell adhesion, which are pivotal in immune response and facilitate leukocyte adhesion, migration, and extravasation at infection sites. This thesis begins by summarizing the structural characteristics of integrins, their mechanobiology and the physiological processes involved in LFA-1 activation, emphasizing the roles of chemokines, adaptor proteins, and tensile forces in modulating integrin function. The experimental research employs advanced single-particle tracking (SPT) using a home-built live-cell microscope with single molecule sensitivity. This multiline-illumination dual-view microscope, combined with a custom-built flow system, enables the investigation of LFA-1 activation at the level of individual molecules under shear flow. We use specific surface functionalization to provide the appropriate stimuli and interaction partners for leukocyte adhesion and migration. The study highlights the characteristics of LFA-1 mobility and engagement, showing how it is regulated by various stimuli, including physiological chemokines like CXCL12 and divalent cations such as Mn2+. The critical role of adaptor proteins, particularly talin, in mediating the integrin-actin cytoskeleton linkage essential for leukocyte motility, is also examined. The findings underscore the importance of integrin ligation and cytoskeletal association in integrin activation for effective leukocyte migration, highlighting the need for precise spatiotemporal control of integrin engagement for leukocyte motility. We further dissect the impact of external tensile forces, such as shear flow, on integrin activation. We demonstrate that these forces significantly increase integrin activation, consequently reinforcing cell adhesion and migration under varying flow conditions. The study also reveals the complex interplay between biochemical stimuli and mechanical forces in modulating integrin activation and consequently leukocyte behavior. In this context, we additionally we bring attention to the relevance of adaptor proteins like talin. Finally, we shift focus to the spatiotemporal relationship between the C-X-C chemokine receptor type 4 (CXCR4) and LFA-1. The focus lies on the functionally relevant CXCR4 nanoclustering and its vicinity to LFA-1 activation. We uncover unexpected behaviors in functional CXCR4 nanoclustering and investigate its spatial relation to integrin activation. The study extends to both healthy CXCR4 and a pathologically altered form, a R334X mutation found in patients with Warts, Hypogammaglobulinemia, Infections, and Myelokathexis (WHIM) syndrome. The thesis concludes by synthesizing these findings, emphasizing the critical role of mechanobiology in leukocyte migration and the complex regulatory mechanisms governing integrin activation. By providing a detailed framework for understanding integrin dynamics, the research points towards its potential implications for pathophysiological alterations of the blood flow and the potential for further studies using advanced biophysical techniques to unravel the intricate molecular interplays at work. Future perspectives include investigating the interplay of the regulatory network for integrin activation, the impact of integrin ligand organization, and the effect of mechanical forces on the relevant players. The insights gained from this work could pave the way for novel therapeutic strategies that target the mechanobiological aspects of immune cell motility, offering new avenues for the treatment of inflammatory diseases and immune-related disorders where aberrant cell adhesion and migration plays a critical role.
publishDate 2024
dc.date.none.fl_str_mv 2024
2024-10-22
2026
2026-02-12
dc.type.none.fl_str_mv doctoral thesis
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
VoR
http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85
dc.type.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
dc.identifier.none.fl_str_mv https://hdl.handle.net/2117/454950
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-454950
url https://hdl.handle.net/2117/454950
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-454950
dc.language.none.fl_str_mv Inglés
eng
language_invalid_str_mv Inglés
language eng
dc.rights.none.fl_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.rights.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
dc.source.none.fl_str_mv reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
instname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
instname_str Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
reponame_str UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
collection UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
repository.name.fl_str_mv
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1869422607413018624
spelling Integrin dynamics and mechanobiology in leukocytes – a multiscale tracking studyLau, Lukas621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions577 - Bioquímica. Biologia molecular. Biofísica612 - FisiologiaÀrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació(English) This thesis explores the molecular mechanisms underpinning leukocyte adhesion and migration, with a primary focus on the mechanobiology of integrin Lymphocyte function-associated antigen 1 (LFA-1). Integrins are key mediators of cell adhesion, which are pivotal in immune response and facilitate leukocyte adhesion, migration, and extravasation at infection sites. This thesis begins by summarizing the structural characteristics of integrins, their mechanobiology and the physiological processes involved in LFA-1 activation, emphasizing the roles of chemokines, adaptor proteins, and tensile forces in modulating integrin function. The experimental research employs advanced single-particle tracking (SPT) using a home-built live-cell microscope with single molecule sensitivity. This multiline-illumination dual-view microscope, combined with a custom-built flow system, enables the investigation of LFA-1 activation at the level of individual molecules under shear flow. We use specific surface functionalization to provide the appropriate stimuli and interaction partners for leukocyte adhesion and migration. The study highlights the characteristics of LFA-1 mobility and engagement, showing how it is regulated by various stimuli, including physiological chemokines like CXCL12 and divalent cations such as Mn2+. The critical role of adaptor proteins, particularly talin, in mediating the integrin-actin cytoskeleton linkage essential for leukocyte motility, is also examined. The findings underscore the importance of integrin ligation and cytoskeletal association in integrin activation for effective leukocyte migration, highlighting the need for precise spatiotemporal control of integrin engagement for leukocyte motility. We further dissect the impact of external tensile forces, such as shear flow, on integrin activation. We demonstrate that these forces significantly increase integrin activation, consequently reinforcing cell adhesion and migration under varying flow conditions. The study also reveals the complex interplay between biochemical stimuli and mechanical forces in modulating integrin activation and consequently leukocyte behavior. In this context, we additionally we bring attention to the relevance of adaptor proteins like talin. Finally, we shift focus to the spatiotemporal relationship between the C-X-C chemokine receptor type 4 (CXCR4) and LFA-1. The focus lies on the functionally relevant CXCR4 nanoclustering and its vicinity to LFA-1 activation. We uncover unexpected behaviors in functional CXCR4 nanoclustering and investigate its spatial relation to integrin activation. The study extends to both healthy CXCR4 and a pathologically altered form, a R334X mutation found in patients with Warts, Hypogammaglobulinemia, Infections, and Myelokathexis (WHIM) syndrome. The thesis concludes by synthesizing these findings, emphasizing the critical role of mechanobiology in leukocyte migration and the complex regulatory mechanisms governing integrin activation. By providing a detailed framework for understanding integrin dynamics, the research points towards its potential implications for pathophysiological alterations of the blood flow and the potential for further studies using advanced biophysical techniques to unravel the intricate molecular interplays at work. Future perspectives include investigating the interplay of the regulatory network for integrin activation, the impact of integrin ligand organization, and the effect of mechanical forces on the relevant players. The insights gained from this work could pave the way for novel therapeutic strategies that target the mechanobiological aspects of immune cell motility, offering new avenues for the treatment of inflammatory diseases and immune-related disorders where aberrant cell adhesion and migration plays a critical role.(Català) Aquesta tesi explora els mecanismes moleculars que sustenten l'adhesió i migració de leucòcits, enfocant-se principalment en la mecanobiologia de la integrina de l’antigen 1 associat a la funció dels limfòcits (LFA-1). Les integrines són mediadors clau de l'adhesió cel·lular, fonamentals en la resposta inmunitària i faciliten l'adhesió, migració i extravasació de leucòcits als focus d'infecció. Primer, resumim les seves característiques estructurals principals, la seva mecanobiologia i els processos fisiològics implicats en l'activació de LFA-1, fent èmfasi en el paper de les quimiocines, les proteïnes adaptadores i les forces de tracció en la seva regulació. La investigació experimental utilitza la tècnica avançada de seguiment de particules individuals (SPT) mitjançant un microscopi amb sensibilitat molecular expressament dissenyat durant aquesta tesi. Aquest microscopi de doble visió, combinat amb un sistema de flux fet a mida, permet investigar l'activació de LFA-1 sota flux de cisalla. Utilitzem la funcionalització de superfícies específica per proporcionar les molècules d'interacció i els estímuls per a l'adhesió i la migració de leucòcits. L'estudi posa de manifest la naturalesa dinàmica de la mobilitat en el procés d'activació de LFA-1, mostrant com aquesta integrina està regulada per diversos estímuls, incloses quimiocines fisiològiques i cations divalents (Mn2+). També s'examina el paper crític de la talina (proteïna adaptadora) en la mediació de l'enllaç del citoesquelet integrina-actina, essencial per a la motilitat dels leucòcits. Els resultats subratllen la importància d’aquesta associació i de la lligadura d'integrines en la seva activació per a la migració efectiva dels leucòcits, posant de manifest la necessitat d'un control espai-temporal precís de la participació de les integrines. A més, disseccionem l'impacte de les forces de tracció externes del flux de cisalla, en l'activació de les integrines. Demostrem que aquestes forces augmenten significativament l'activació de les integrines, reforçant en conseqüència l'adhesió cel·lular en condicions de flux variables. L'estudi també revela la complexa interacció entre els estímuls bioquímics i les forces mecàniques en la modulació de l'activació de la integrina i, en conseqüència, del comportament dels leucòcits. A més, mesurem experimentalment la rellevància de la talina en aquest context. Finalment, ens centrem en a la relació espaciotemporal entre el receptor de quimiocines C-X-C tipus 4 (CXCR4) i LFA-1. El focus es centra en el nanoclustering de CXCR4 funcionalment rellevant i la seva proximitat a l'activació de LFA-1. Descobrim comportaments inesperats en el nanoclustering de CXCR4 i investiguem la seva relació espacial amb l'activació de les integrines. L'estudi s'estén tant al CXCR4 com a una mutació patològicament alterada (R334X) que es troba en pacients amb síndrome de berrugues, hipogammaglobulinèmia, infeccions i mielocatexis (síndrome WHIM). La tesi conclou sintetitzant aquests descobriments, destacant el paper crític de la mecanobiologia en la migració de leucòcits i els complexos mecanismes reguladors que regeixen l'activació de les integrines. En proporcionar un marc detallat per entendre la dinàmica de les integrines, la investigació apunta a les seves possibles implicacions en les alteracions fisiopatològiques del flux sanguini i al potencial d'estudis futurs. Les perspectives futures inclouen la investigació de la interacció de la xarxa reguladora per a l'activació de la integrina, l'impacte de l'organització del lligand de la integrina i l'efecte de les forces mecàniques sobre els actors rellevants en aquest context. Els coneixements obtinguts amb aquest treball podrien obrir el camí a noves estratègies terapèutiques que s'orientin als aspectes mecanobiològics de les cèl·lules immunitàries, oferint noves vies per al tractament de trastorns relacionats on l'adhesió i la migració cel·lular aberrants tenen un paper crític.(Español) Esta tesis explora los mecanismos moleculares que sustentan la adhesión y migración de leucocitos, centrándose principalmente en la mecanobiología de la integrina del antígeno 1 asociado a la función linfocitaria (LFA-1). Las integrinas son mediadores clave de la adhesión celular, que son fundamentales en la respuesta inmunitaria y facilitan la adhesión, migración y extravasación de leucocitos en los focos de infección. Primero, resumimos las características estructurales principales de las integrinas, su mecanobiología y los procesos implicados en la activación de LFA-1, haciendo hincapié en el papel de las quimioquinas, las proteínas adaptadoras y las fuerzas de tensión en la modulación de la función de las integrinas. La investigación experimental emplea la técnica avanzada de seguimiento de partículas individuales (SPT) utilizando un microscopio con sensibilidad molecular diseñado durante esta tesis. Este microscopio de doble visión, combinado con un sistema de flujo hecho a medida, permite la investigación de LFA-1 a nivel de moléculas individuales bajo flujo de cizallamiento. Utilizamos una funcionalización de superficies para proporcionar los estímulos e interactores adecuados para la adhesión y migración de leucocitos. El estudio pone de relieve la naturaleza dinámica de la movilidad en la activación de LFA-1, mostrando cómo se regula por diversos estímulos, incluyendo quimioquinas y cationes divalentes (Mn2+). También se examina el papel crítico de la talina (proteína adaptadora), en la mediación de la unión citoesqueleto integrina-actina, esencial para la motilidad de los leucocitos. Los resultados subrayan la importancia de esta asociación y de la ligadura de integrinas en la activación de integrinas para la migración leucocitaria efectiva, destacando la necesidad de un control espacio-temporal preciso de la ligadura de integrinas para la motilidad. Además, diseccionamos el impacto de las fuerzas de tracción externas del flujo de cizallamiento en la activación de las integrinas. Demostramos que estas fuerzas aumentan significativamente la activación de las integrinas, reforzando en consecuencia la adhesión celular en condiciones variables de flujo. El estudio también revela la compleja interacción entre los estímulos bioquímicos y las fuerzas mecánicas en la modulación de la activación de las integrinas y, en consecuencia, del comportamiento de los leucocitos. Además, investigamos la relevancia de la talina en este contexto. Por último, nos centramos en la relación espacio-temporal entre el receptor de quimioquinas C-X-C tipo 4 (CXCR4) y LFA-1. La atención se centra en la nano-agrupación funcionalmente relevante de CXCR4 y su proximidad a la activación de LFA-1. Descubrimos comportamientos inesperados en la nano-agrupación de CXCR4 e investigamos su relación espacial con la activación de LFA-1. El estudio se extiende tanto al CXCR4 como a una mutación patológicamente alterada (R334X) encontrada en pacientes con síndrome verrugas, hipogammaglobulinemia, infecciones y mielocatexis (WHIM). La tesis concluye sintetizando estos hallazgos, destacando el papel crítico de la mecanobiología en la migración leucocitaria y los complejos mecanismos reguladores que rigen la activación de las integrinas. Al proporcionar un marco detallado para comprender la dinámica de las integrinas, la investigación apunta a sus posibles implicaciones en las alteraciones fisiopatológicas del flujo sanguíneo y al potencial de estudios futuros. Las perspectivas futuras incluyen la investigación de la red reguladora de la activación de la integrina, el impacto de la organización del ligando y el efecto de las fuerzas mecánicas sobre estos actores. Los conocimientos adquiridos podrían allanar el camino para nuevas estrategias terapéuticas dirigidas a los aspectos mecanobiológicos de las células inmunitarias, ofreciendo nuevas vías para el tratamiento de trastornos en los que la adhesión y migración celular aberrantes desempeñan un papel crítico.Universitat Politècnica de Catalunya20242024-10-2220262026-02-12doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/2117/454950https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-454950reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPCinstname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)Inglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:upcommons.upc.edu:2117/4549502026-05-27T15:37:01Z
score 15,812429

Similares en LA Referencia