Title (eng)
On the interplay of structure and dynamics in cellular monolayers
Author
Fabian Krautgasser
Advisor
Roberto Cerbino
Assessor
Roberto Cerbino
Abstract (deu)
In der Physik weicher Materie gewinnen einschichtige Zellkulturen (sogenannte „Zellmonolayer“) zunehmend an Bedeutung. Diese aktiven, lebenden Systeme können sowohl festkörperähnliche (erstarrte) als auch flüssigkeitsähnliche Zustände einnehmen und im Verlauf eines Experiments zwischen diesen Zuständen wechseln. Das kollektive Verhalten der Zellen wird dabei nicht nur durch biochemische Signale, sondern auch durch mechanische Wechselwirkungen und die strukturelle Organisation innerhalb des Monolayers bestimmt. In dieser Masterarbeit wird das Zusammenspiel von Struktur und Dynamik in Zellmonolayern anhand von vier repräsentativen Zelllinien – MDCK, MCF-10A, HaCaT und NIH-3T3 – untersucht. Die Analyse erfolgt mithilfe komplementärer Methoden im Realraum und im Fourierraum. Zum Einsatz kommen unter anderem Segmentierung, Particle Tracking, Particle Image Velocimetry (PIV) und Differential Dynamic Microscopy (DDM), die auf Phasenkontrast- und Fluoreszenzmikroskopiedaten angewandt werden. Diese Verfahren ermöglichen eine quantitative Erfassung wesentlicher Merkmale dynamischer Heterogenität und kollektiver Zellbewegung.Unsere Ergebnisse zeigen, dass DDM ein robustes Werkzeug zur Identifikation von Veränderungen in zellulären Beweglichkeitsregimen darstellt. Die Methode zeigt Übergänge von gestauchter zu gestreckter Relaxation, nicht-gaußsche Verschiebungen sowie dynamische Abschwächungen auf – Charakteristika, die typischerweise mit dem sogenannten ”Jamming”-Übergang assoziiert sind. Diese dynamischen Veränderungen spiegeln sich in morphologischen Parametern wie der Zellformverteilung und den Korrelationslängen wider, die sich systematisch mit Zelldichte und Konfluenz verändern. Darüber hinaus beobachten wir, dass Beweglichkeitsübergänge mit dem Auftreten struktureller Ordnung korrelieren. Dies äußert sich in Maxima des statischen Strukturfaktors sowie in einer längenskalenabhängigen Verlangsamung der Relaxationsraten. Zusammenfassend belegen unsere Ergebnisse eine enge Kopplung zwischen der strukturellen Organisation und dem dynamischen Verhalten von Zellmonolayern. Diese Kopplung hat weitreichende Implikationen für das Verständnis zelldichteabhängiger Übergänge in Epithelgeweben, der mechanischen Regulation während der Morphogenese sowie dynamischer Phänotypen in kanzerogenen Zelllinien.
Abstract (eng)
Cellular monolayers are increasingly occupying a distinct position within soft matter physics: they are active, living systems that can exhibit either fluid-like dynamics or solid-like arrested states, often transitioning between these regimes within a single experiment. Their collective behaviour is shaped not only by biochemical signals but also by mechanical interactions and structural organization. This thesis investigates the interplay between structure and dynamics in cellular monolayers, using a combination of real-space and Fourier-space analyses across four representative cell lines: MDCK, MCF-10A, HaCaT, and NIH-3T3. By applying segmentation, particle tracking, particle image velocimetry (PIV), and differential dynamic microscopy (DDM) to time-lapse phase contrast and fluorescence microscopy data, we quantify key signatures of dynamical heterogeneity and collective motion. We show that DDM provides a robust framework for identifying changes in motility regimes, revealing compressed-to-stretched relaxation transitions, non-Gaussian displacements, and dynamic slowdowns characteristic of jamming. These dynamical changes are reflected in morphological measures such as shape distributions and correlation lengths, which evolve systematically with density and confluency. Moreover, we find that motility transitions are accompanied by the emergence of structural order, as evidenced by peaks in the static structure factor and length-scale-dependent slowdowns in relaxation rates. Taken together, our results demonstrate that the structural organization and dynamical behaviour of cellular monolayers are tightly coupled. This coupling has implications for understanding density-dependent transitions in epithelial tissues, mechanical regulation in morphogenesis, and dynamic phenotypes in cancerous cell lines.
Keywords (deu)
Weiche MaterieZellmonolayerJamming-Übergang
Keywords (eng)
cellular monolayerMDCKHaCaTMCF-10ANIH-3T3jamming transitioncellular soft matter physicscell dynamicsstructure
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Extent (deu)
x, 99 Seiten : Illustrationen
Number of pages
111
Study plan
Masterstudium Physics
[UA]
[066]
[876]
Association (deu)
Title (eng)
On the interplay of structure and dynamics in cellular monolayers
Author
Fabian Krautgasser
Abstract (deu)
In der Physik weicher Materie gewinnen einschichtige Zellkulturen (sogenannte „Zellmonolayer“) zunehmend an Bedeutung. Diese aktiven, lebenden Systeme können sowohl festkörperähnliche (erstarrte) als auch flüssigkeitsähnliche Zustände einnehmen und im Verlauf eines Experiments zwischen diesen Zuständen wechseln. Das kollektive Verhalten der Zellen wird dabei nicht nur durch biochemische Signale, sondern auch durch mechanische Wechselwirkungen und die strukturelle Organisation innerhalb des Monolayers bestimmt. In dieser Masterarbeit wird das Zusammenspiel von Struktur und Dynamik in Zellmonolayern anhand von vier repräsentativen Zelllinien – MDCK, MCF-10A, HaCaT und NIH-3T3 – untersucht. Die Analyse erfolgt mithilfe komplementärer Methoden im Realraum und im Fourierraum. Zum Einsatz kommen unter anderem Segmentierung, Particle Tracking, Particle Image Velocimetry (PIV) und Differential Dynamic Microscopy (DDM), die auf Phasenkontrast- und Fluoreszenzmikroskopiedaten angewandt werden. Diese Verfahren ermöglichen eine quantitative Erfassung wesentlicher Merkmale dynamischer Heterogenität und kollektiver Zellbewegung.Unsere Ergebnisse zeigen, dass DDM ein robustes Werkzeug zur Identifikation von Veränderungen in zellulären Beweglichkeitsregimen darstellt. Die Methode zeigt Übergänge von gestauchter zu gestreckter Relaxation, nicht-gaußsche Verschiebungen sowie dynamische Abschwächungen auf – Charakteristika, die typischerweise mit dem sogenannten ”Jamming”-Übergang assoziiert sind. Diese dynamischen Veränderungen spiegeln sich in morphologischen Parametern wie der Zellformverteilung und den Korrelationslängen wider, die sich systematisch mit Zelldichte und Konfluenz verändern. Darüber hinaus beobachten wir, dass Beweglichkeitsübergänge mit dem Auftreten struktureller Ordnung korrelieren. Dies äußert sich in Maxima des statischen Strukturfaktors sowie in einer längenskalenabhängigen Verlangsamung der Relaxationsraten. Zusammenfassend belegen unsere Ergebnisse eine enge Kopplung zwischen der strukturellen Organisation und dem dynamischen Verhalten von Zellmonolayern. Diese Kopplung hat weitreichende Implikationen für das Verständnis zelldichteabhängiger Übergänge in Epithelgeweben, der mechanischen Regulation während der Morphogenese sowie dynamischer Phänotypen in kanzerogenen Zelllinien.
Abstract (eng)
Cellular monolayers are increasingly occupying a distinct position within soft matter physics: they are active, living systems that can exhibit either fluid-like dynamics or solid-like arrested states, often transitioning between these regimes within a single experiment. Their collective behaviour is shaped not only by biochemical signals but also by mechanical interactions and structural organization. This thesis investigates the interplay between structure and dynamics in cellular monolayers, using a combination of real-space and Fourier-space analyses across four representative cell lines: MDCK, MCF-10A, HaCaT, and NIH-3T3. By applying segmentation, particle tracking, particle image velocimetry (PIV), and differential dynamic microscopy (DDM) to time-lapse phase contrast and fluorescence microscopy data, we quantify key signatures of dynamical heterogeneity and collective motion. We show that DDM provides a robust framework for identifying changes in motility regimes, revealing compressed-to-stretched relaxation transitions, non-Gaussian displacements, and dynamic slowdowns characteristic of jamming. These dynamical changes are reflected in morphological measures such as shape distributions and correlation lengths, which evolve systematically with density and confluency. Moreover, we find that motility transitions are accompanied by the emergence of structural order, as evidenced by peaks in the static structure factor and length-scale-dependent slowdowns in relaxation rates. Taken together, our results demonstrate that the structural organization and dynamical behaviour of cellular monolayers are tightly coupled. This coupling has implications for understanding density-dependent transitions in epithelial tissues, mechanical regulation in morphogenesis, and dynamic phenotypes in cancerous cell lines.
Keywords (deu)
Weiche MaterieZellmonolayerJamming-Übergang
Keywords (eng)
cellular monolayerMDCKHaCaTMCF-10ANIH-3T3jamming transitioncellular soft matter physicscell dynamicsstructure
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Number of pages
111
Association (deu)
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