Abstract The number of cells in tissues is tightly controlled by cell division and cell death, and misregulation of cell numbers could lead to pathological conditions such as cancer. To maintain cell numbers in a tissue, a cell elimination process named programmed cell death or apoptosis, stimulates the proliferation of neighboring cells. This mechanism is called apoptosis-induced compensatory proliferation, which was originally reported more than 40 years ago. While only a limited number of the neigboring cells need to divide to compensate for apoptotic cell loss, the mechanisms that select cells for undergoing division remain an open question. Here we found that the spatial inhomogeneity in mechanotransduction through a growth-promoting transcription co-activator Yes-associated protein (YAP) in the neighboring tissue, accounts for the inhomogeneity of compensatory proliferation. Such inhomogeneous mechanotransduction arises from the combination of the non-uniform distribution of nuclear size, which is inherent in tissues, and the non-uniform pattern of mechanical force applied to the neighboring cells upon apoptosis. Our findings from a mechanical perspective complement the current biochemical understanding of compensatory growth and provide additional insights into cellular functions of how tissue precisely maintains its homeostasis.

On a curved surface, epithelial cells can adapt to geometric constraints by tilting and by exchanging their neighbors from apical to basal sides, known as an apicobasal T1 (AB-T1) transition. The relationship between cell tilt, AB-T1 transitions, and tissue curvature still lacks a unified understanding. Here, we propose a general framework for cell packing in curved environments and explain the formation of AB-T1 transitions under different conditions. We find that steep curvature gradients can lead to cell tilting and induce AB-T1 transitions. Conversely, large curvature anisotropy can drive AB-T1 transitions by hydrostatic pressure. The two mechanisms compete to determine the impact of tissue geometry and mechanics on optimized cell rearrangements in 3D.

Abstract Many internal organs in the body harbor a fluid-filled lumen. The mechanisms of lumens initiation and fusion have been reported as dependent on organ-type during organogenesis. In contrast, the physics of lumen suggests that force balance between luminal pressure and cell mechanics could lead to conserved rules which may unify their self-organisation. However, this hypothesis lacks experimental evidence. Here we show that lumens share similar dynamics for three different systems (MDCK cysts, pancreatic spheres, and epiblast cysts) by using quantitative cell biology, microfabrication and theory. We report that initial cell number determines the maximum number of lumens but does not impact the steady state which is a final single lumen. In addition, lumens numbers exhibit two phases over time, a nucleation phase followed by a fusion phase. In the nucleation phase, lumens form between two cells in pancreatic and MDCK cysts whereas they form at the rosette stage between ten cells in epiblasts. In the second phase, lumens fuse by an increase in lumen volume for pancreatic spheres and MDCK cysts, whereas cell convergent directional motion leads to lumens fusion in epiblasts. We support these results by reproducing numerically lumens dynamics using a phase field model with simple rules for cell proliferation, cell adhesion and lumen growth. We finally use MDCK cysts to manipulate cell adhesion and lumen volume and we successfully reproduce the fusion dynamics of pancreatic spheres and epiblasts. Our results reveal self-organisation rules of lumens across systems with relevance for morphogenesis during development and for the design of synthetic organs.

Formation of fluid-filled lumina by epithelial tissues is essential for organ development. How cells control the hydraulic and cortical forces to control lumen morphology is not well understood. Here, we quantified the mechanical role of tight junctions in lumen formation using MDCK-II cysts. We found that the paracellular ion barrier formed by claudin receptors is not required for the hydraulic inflation of a lumen. However, the depletion of the zonula occludens scaffold resulted in lumen collapse and folding of apical membranes. Combining quantitative measurements of hydrostatic lumen pressure and junctional tension with modeling enabled us to explain lumen morphologies from the pressure-tension force balance. Tight junctions promote lumen inflation by decreasing cortical tension via the inhibition of myosin. In addition, our results suggest that excess apical area contributes to lumen opening. Overall, we provide a mechanical understanding of how epithelial cells use tight junctions to modulate tissue and lumen shape.

Organoids are ideal systems to predict the phenotypes of organs. However, there is currently a lack of understanding regarding the generalized rules that enable use of simple cellular principles to make morphological predictions of entire organoids. Therefore, we employed a phase field model with the following basic components: the minimum conditions for the timing and volume of cell division, lumen nucleation rules, and lumenal pressure. Through our model, we could compute and generate a myriad of organoid phenotypes observed till date. We propose morphological indices necessary to characterize the shapes and construct phase diagrams and show their dependencies on proliferation time and lumen pressure. Additionally, we introduced the lumen-index parameter, which helped in examining the criteria to maintain organoids as spherical structures comprising a single layer of cells and enclosing an intact lumen. Finally, we predict a star-like organoid phenotype that did not undergo differentiation, suggesting that the volume constraint during cell division may determine the final phenotype. In summary, our approach provides researchers with guidelines to test the mechanisms of self-organization and predict the shape of organoid.

Abstract Organoids are ideal systems to predict the phenotypes of organs. However, there is currently a lack of understanding regarding the generalized rules that enable use of simple cellular principles to make morphological predictions of entire organoids. Therefore, we employed a phase field model with the following basic components: the minimum conditions for the timing and volume of cell division, lumen nucleation rules, and lumenal pressure. Through our model, we could compute and generate a myriad of organoid phenotypes observed till date. We propose morphological indices necessary to characterize the shapes and construct phase diagrams and show their dependencies on proliferation time and lumen pressure. Additionally, we introduced the lumen-index parameter, which helped in examining the criteria to maintain organoids as spherical structures comprising a single layer of cells and enclosing an intact lumen. Finally, we predict a star-like organoid phenotype that did not undergo differentiation, suggesting that the volume constraint during cell division may determine the final phenotype. In summary, our approach provides researchers with guidelines to test the mechanisms of self-organization and predict the shape of organoid. Author summary In nature, a wide variety of organ morphologies are observed. Owing to the complexity of the process underlying the acquisition of organs’ morphology, it is challenging to investigate the mechanisms that lead to such variations. A promising approach to study these variations is the use of “computational organoid” study, which is the computational-based study of self-organizing shapes in multicellular assemblies and fluid-filled cavities called lumens that develop from a few proliferating cells. This study explores general mechanisms that dictate how various mechanical factors affect the growing self-organized multicellular assembly. We relied on computer simulations of the mathematical model called multicellular phase-field model with lumens and explored the mechanical factor effects, such as the lumen pressure while considering the time and volume conditions required for cell division. These simulations generated and categorized a wide range of organoid phenotypes based on the varying lumen pressure and cell division conditions. These phenotypes were characterized into seven distinct classes, based on the morphological index sets, including a cellular monolayer/multilayer surrounding single or multiple lumens and branch formation. These phenotypes were obtained without the assumption of differentiation. Our study elucidates the mechanisms underlying the organoid and organ formation with different shapes, thereby highlighting the significance of mechanical forces in shaping these complex biological structures.

Abstract Many internal organs in multicellular organisms comprise epithelia which enclose fluid-filled cavities. These are referred to as lumens and their formation is regulated by a wide range of processes, including epithelial polarization, secretion, exocytosis and actomyosin contractility [1, 2]. While these mechanisms have shed light on lumen growth, what controls lumen morphology remains enigmatic. Here we use pancreas organoids to explore how lumens acquire either a spherical shape or a branched topology [3]. Combining computational simulations based on a phase field model with experimental measurements we reveal that lumen morphology arises from the balance between the cell cycle duration and lumen pressure, with more complex lumen at low pressure and fast proliferation rates. Moreover, the manipulation of proliferation and lumen pressure in silico and in vitro is sufficient to alter and reverse the morphological trajectories of the lumens. Increasing epithelial permeability of spherical lumens lead to lower lumen pressure and converts their morphology to complex lumen shapes, highlighting its crucial role. In summary, the study underscores the importance of balancing cell proliferation, lumen pressure, and epithelial permeability in determining lumen morphology, providing insights relevant to other organs, for tissue engineering and cystic disease understanding and treatment [4].

Cell cortex is a thin sheet of actin cytoskeleton spanning cell boundaries with rich out-ofequilibrium dynamics. A theoretical description of the cortex as an active fluid enables to capture cell shapes dynamics in 3D tissues. However models integrated with calibration of parameters and quantitative experiments are lacking so far. Here we report that cells in organoids and in cysts have conserved apico-basal-lateral asymmetric compositions in actin and in myosin, and we quantify their densities and mechanical properties. This allows to calibrate a new model coupling active fluids with a phase field which reproduces the main features of cell shapes. To test our approach, we successfully predict changes in cell shapes by modulating actin polymerisation in experiments and in simulations. Our study shows how active fluid theory integrated with experiments can determine cell shapes in 3D tissues.

Abstract Cell proliferation is a fundamental process underlying embryogenesis, homeostasis, wound healing, and cancer. The process involves multiple events during each cell cycle, such as cell growth, contractile ring formation, and division to daughter cells, which affect the surrounding cell population geometrically and mechanically. However, existing methods do not comprehensively describe the dynamics of multicellular structures involving cell proliferation at a subcellular resolution. In this study, we present a novel model for proliferative multicellular dynamics at the subcellular level by building upon the nonconservative fluid membrane (NCF) model that we developed in earlier research. The NCF model utilizes a dynamically-rearranging closed triangular mesh to depict the shape of each cell, enabling us to analyze cell dynamics over extended periods beyond each cell cycle, during which cell surface components undergo dynamic turnover. The proposed model represents the process of cell proliferation by incorporating cell volume growth and contractile ring formation through an energy function and topologically dividing each cell at the cleavage furrow formed by the ring. Numerical simulations demonstrated that the model recapitulated the process of cell proliferation at subcellular resolution, including cell volume growth, cleavage furrow formation, and division to daughter cells. Further analyses suggested that the orientation of actomyosin stress in the contractile ring plays a crucial role in the cleavage furrow formation, i.e., circumferential orientation can form a cleavage furrow but isotropic orientation cannot. Furthermore, the model replicated tissue-scale multicellular dynamics, where the successive proliferation of adhesive cells led to the formation of a cell sheet and stratification on the substrate. Overall, the proposed model provides a basis for analyzing proliferative multicellular dynamics at subcellular resolution.

Aortic sarcomas are extremely rare. Sarcomas associated with aortic graft replacement are even rarer; only 17 cases have been examined through immunohistochemical staining to date, most of which were either angiosarcomas or intimal sarcomas. Here, we report the case of an 88-year-old man with an undifferentiated pleomorphic sarcoma (UPS) that developed after aortic graft replacement and was diagnosed through postmortem autopsy. To the best of our knowledge, this is the first case of graft-associated sarcoma diagnosed as an undifferentiated pleomorphic type following detailed immunohistochemical staining with sufficient antibodies and fluorescence in situ hybridization (FISH).