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Recent Submissions

Master thesis
Open Access
Molekulardynamik dichter Granulate
Proceedings of the Institute for Multiscale Simulation (2009-03-13) Mückl, Gregor
Doctoral thesis
Open Access
High-Throughput Viscoelastic Characterization of Cells in Microchannels
(2024) Reichel, Felix
Extensive research has showcased the potential of cell viscoelastic properties as intrinsic markers of cell state, functionality, and disease. While various techniques have been developed to measure cell viscoelasticity, most lack the throughput required for clinical diagnostics. Microfluidic techniques were designed to enhance throughput, but available designs lead to intricate stress distributions on the cell surface, complicating the analysis of a stress-strain relation. This thesis aims to bridge this gap by presenting a high-throughput framework offering a straightforward stress-strain relation for a direct derivation of viscoelastic properties. Microfluidic cell deformability techniques frequently employ a carrier solution of methyl cellulose (MC). These solutions exhibit complex stresses in flow and a complete description of shear and normal stresses at high shear rates was not reported before. In a comprehensive study, the shear rheology of MC solutions was measured at shear rates up to 150 000 1/s, providing the first results at these shear rates and revealing the viscoelastic nature of these solutions. I analyzed these measurements to derive constitutive equations for calculating the stresses of MC solutions in microchannel flow. These results were employed to model the flow in real-time deformability cytometry (RT-DC), a prominent microfluidic technique for measuring cell elasticity. I developed a protocol and analysis pipeline to extend RT-DC for viscoelasticity measurements. Simultaneously, simulations were created to match experimental conditions, revealing discrepancies between simulation and experiment. The main reason for the mismatch was identified as an incomplete modeling of the viscoelastic contributions of the MC solutions. Furthermore, the simulations unveiled a complex stress-strain relation for RT-DC experiments. To address this, I proposed a hyperbolic channel design to create a well-defined and constant stress along the flow axis, simplifying the viscoelastic analysis. I validated this approach by determining deformation timescales through measurements on oil droplets with varying viscosities and the stiffness of mechanical calibration particles from polyacrylamide (PAAm) microgels. Subsequently, the hyperbolic channels were then employed on human leukemia cell line HL60 cells, demonstrating that changes in cell viscoelasticity due to interference with the cytoskeleton could be measured. This showcases the approach as a streamlined and time-efficient solution for assessing the viscoelastic properties of large cell populations and other microscale soft particles. The concepts outlined here are already routinely used for the analysis of RT-DC experiments. The results presented in this thesis offer valuable insights for the fields of cell mechanics, deformability cytometry, and fluid mechanics of complex liquids, with wide-ranging applications in cell research or diagnostics.
Bachelor thesis
Open Access
Damping an oscillation with granular dampers
Proceedings of the Institute for Multiscale Simulation (2014-12-19) Rathke, Jonas
Book
Open Access
Lehromat 1000
Proceedings of the Institute for Multiscale Simulation (2020-12-13) Heckel, Michael; Pucheanu, Walter; Sack, Achim; Pöschel, Thorsten
Doctoral thesis
Open Access
Der Verlust von Polyzystin-1 führt zu einem cAMP-abhängigen Umschalten von Tubulogenese auf Zystenbildung
(2024) Scholz, Julia Katharina
Hintergrund: Die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD) ist die häufigste zu terminaler Niereninsuffizienz führende monogenetische Erkrankung und wird in einer Mehrzahl der Fälle durch eine Mutation im Polyzystin-1 kodierenden PKD1-Gen verursacht. In der Folge bilden sich multiple renale Zysten, deren kontinuierliches Wachstum durch Druck auf umliegende Nephrone zu einem Verlust der Nierenfunktion führt. Als gesichert gilt die Annahme, dass das Wachstum dieser Nierenzysten von dem second Messenger zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) abhängig ist. Die Rolle von cAMP in der Entstehung der Nierenzysten ist jedoch noch nicht geklärt. Methoden: In der vorliegenden Publikation „Loss of Polycystin-1 causes cAMP-dependent switch from tubule to cyst formation“ wurde der Einfluss von cAMP auf die Organisation von renalen Tubulusepithelzellen im Kontext einer Polyzystin-1-Defizienz untersucht. Mit Hilfe von genetischer Modifikation mittels CRISPR/Cas9 wurde ein Polyzystin-1-defizientes Tubuluszellmodell etabliert. Die Auswirkung dieses Polyzystin-1-Verlusts auf Migration und Zellpolarität wurde in vitro in 2D-Modellen analysiert. Dessen Folge auf die Morphologie und das Migrationsverhalten von Sphäroiden wurde ergänzend in einem 3D-Kollagenmodell untersucht. Zudem wurde der Einfluss von cAMP auf die Tubuli von an Embryonal-Tag 13,5 entnommenen und ex vivo kultivierten Mausembryonieren untersucht. Ergebnisse: Der Verlust von Polyzystin-1 führte zu einem signifikanten Anstieg von intrazellulärem cAMP in den untersuchten Nierentubuluszellen. Der Anstieg von cAMP beeinträchtigte dabei sowohl die Polarität, das Migrationsverhalten als auch die Morphologie der renalen Tubuluszellen in vitro. In den Mausembryonieren führte der cAMP-Anstieg zu einer gestörten Orientierung der Tubulusepithelzellen. Schlussfolgerung: Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass der Verlust von Polyzystin-1 zu einem Anstieg von cAMP in renalen Tubuluszellen führt. Die dadurch verursachten zellulären Störungen bekräftigen den vermuteten Einfluss von cAMP auf die Bildung renaler Zysten, die sich von den bisher bekannten cAMP-abhängigen Mechanismen beim Zystenwachstum deutlich unterscheiden.