Immune cells such as natural killer (NK) cells migrate with high speeds of several µm/min through dense tissue, but the traction forces are unknown. We present a method to measure dynamic traction forces of fast migrating cells in non-linear biopolymer matrices. The method accounts for the mechanical non-linearity of the 3D tissue matrix and can be applied to time series of confocal or bright-field image stacks. The method is highly sensitive over a large range of forces and object sizes, from ∼1 nN for axon growth cones up to ∼10 µN for mouse intestinal organoids. We find that NK cells display bursts of large traction forces that increase with matrix stiffness and facilitate migration through tight constrictions.

Abstract Biological processes are regulated by chemical and mechanical signals, yet the interaction between these signalling modalities remains unclear. Using the developing Xenopus laevis brain as a model system, we identified a critical crosstalk between tissue stiffness and chemical signalling in vivo . Targeted knockdown of the mechanosensitive ion channel Piezo1 in retinal ganglion cells (RGCs) led to pathfinding errors in vivo. However, pathfinding errors were also observed in RGCs expressing Piezo1, when Piezo1 was downregulated in the surrounding brain tissue. Depleting Piezo1 in brain parenchyma led to decreases in the expression of the long-range chemical guidance cues, Semaphorin3A and Slit1, and markedly reduced tissue stiffness. While tissue softening was independent of Sema3A depletion, Slit1 and Sema3A expression increased significantly in stiffer environments in vitro . Moreover, stiffening soft brain regions in vivo induced ectopic Sema3A production via a Piezo1-dependent mechanism. Our results demonstrate that brain tissue mechanics modulates the expression of key chemical signals, a likely phenomenon across diverse biological systems.