Analysis of traction forces and intracellular mechanics in aggregates of endothelial and stromal cells

Animal cells sense and transduce physical forces. In everyday physiological activities, tissues composed by groups of cells interacting together can stretch significantly, for instance when heart pumps, or lung inflate during breathing. Evidence also show that altered cell mechanosensing and mechanotransduction occurs in pathologies, such as cancer. These cell mechanics events can be studied in simplified 2D in vitro systems, where forces exerted by cells are measured with accuracy. One commonly used technique is 2D traction force microscopy (TFM), which makes use of high-resolution microscopy and fluorescently decorated elastic culture substrates to measure the substrate displacement caused by cell forces. In a previous study, we have built on analysis pipelines that convert displacement into tractions, to further obtain computationally the intracellular (cytoskeletal) structural organization that could give rise to such forces, starting from TFM data on single cells. For that, we have solved an elastic minimization problem assuming that intracellular stresses are propagated in cable-like elements and seeking a mechanical equivalence leading to the experimentally measured tractions. However, our previous work and other research in experimental literature have not focused on more realistic situation, such as intracellular organization when multiple cell types are interacting. Our experiments show that distinct cell types, endothelial and fibroblasts exert different level of forces on the substrate. Moreover, by varying the stiffness of the substrate, we measured an increase of the spreading area for both endothelial cells and fibroblasts, as stiffness increases, up to a plateau. Finally, as a proof of concept, we obtained computationally the intracellular organization for a case of traction field produced by several endothelial cells interacting and observe a possible mechanical communication between cells by transmission of intracellular forces.

Le cellule animali percepiscono e trasducono le forze fisiche. Nelle attività fisiologiche quotidiane, i tessuti composti da gruppi di cellule che interagiscono tra loro possono allungarsi significativamente, ad esempio quando il cuore pompa o il polmone si gonfia durante la respirazione. L'esperienza mostra anche che un’alterazione della meccano-sensitività e della meccano-trasduzione delle cellule si verificano in presenza di patologie, come il cancro. Questi eventi di meccanica cellulare possono essere studiati in sistemi in vitro 2D semplificati, dove le forze esercitate dalle cellule sono misurate con precisione. Una tecnica comunemente usata è la microscopia di forza di trazione 2D (TFM), che fa uso di microscopia ad alta risoluzione e substrati di coltura elastici fluorescenti decorati per misurare lo spostamento del substrato causato dalle forze delle cellule. In uno studio precedente, abbiamo messo a punto una serie di analisi che convertono lo spostamento in trazioni, per ottenere poi computazionalmente l'organizzazione strutturale intracellulare (citoscheletrica) che potrebbe dar luogo a tali forze, a partire dai dati TFM sulle singole cellule. Per questo, abbiamo risolto un problema di minimizzazione elastica supponendo che gli stress intracellulari siano propagati in elementi simili a cavi e cercando un'equivalenza meccanica che porti alle trazioni misurate sperimentalmente. Tuttavia, il nostro lavoro precedente ed altre ricerche nella letteratura sperimentale non si sono focalizzate su una situazione più realistica, quale l'organizzazione intracellulare quando più tipi di cellule stanno interagendo. I nostri esperimenti mostrano che tipi cellulari distinti, endoteliali e fibroblasti esercitano diversi livelli di forze sul substrato. Inoltre, variando la rigidità del substrato, abbiamo misurato un aumento dell'area di diffusione sia per le cellule endoteliali che per i fibroblasti, con l'aumentare della rigidità, fino a un plateau. Infine, come prova di concetto, abbiamo ottenuto computazionalmente l'organizzazione intracellulare per un campo di trazione prodotto da parecchie cellule endoteliali interagenti osservando una possibile comunicazione meccanica fra queste dalla trasmissione delle forze intracellulari.