Fundamental biological processes are carried out by curved epithelial sheets that enclose a pressurized lumen. How these sheets develop and withstand three-dimensional deformations has remained unclear. Here we combine measurements of epithelial tension and shape with theoretical modelling to show that epithelial sheets are active superelastic materials. We produce arrays of epithelial domes with controlled geometry. Quantification of luminal pressure and epithelial tension reveals a tensional plateau over several-fold areal strains. These extreme strains in the tissue are accommodated by highly heterogeneous strains at a cellular level, in seeming contradiction to the measured tensional uniformity. This phenomenon is reminiscent of superelasticity, a behaviour that is generally attributed to microscopic material instabilities in metal alloys. We show that in epithelial cells this instability is triggered by a stretch-induced dilution of the actin cortex, and is rescued by the intermediate filament network. Our study reveals a type of mechanical behaviour—which we term active superelasticity—that enables epithelial sheets to sustain extreme stretching under constant tension. Theoretical modelling in combination with measurements of tension and shape in epithelial domes of controlled geometry reveals a plateau of tension in tissue that is maintained by heterogeneous strain across cells.

Abstract During tumor progression, cancer-associated fibroblasts (CAFs) accumulate in tumors and produce excessive extracellular matrix (ECM), forming a capsule that enwraps cancer cells. This capsule is a barrier that restricts tumor growth leading to the buildup of intratumoral pressure. Combining genetic and physical manipulations in vivo with microfabrication and force measurements in vitro , we found that the CAFs capsule is not a passive barrier but instead actively compresses cancer cells using actomyosin contractility. Cancer cells mechanosense CAF compression, resulting in an altered localization of the transcriptional regulator YAP. Abrogation of CAFs contractility in vivo leads to the dissipation of compressive forces and impairment of capsule formation. By mapping CAF force patterns in 3D, we show that compression is a CAF-intrinsic property independent of cancer cell growth. Supracellular coordination of CAFs is achieved through fibronectin cables that serve as scaffolds allowing force transmission. Our study unveils that the contractile capsule actively compresses cancer cells, modulates their mechanical signaling, and reorganizes tumor morphology.

Abstract The function of organs such as lungs, kidneys and mammary glands relies on the three-dimensional geometry of their epithelium. To adopt shapes such as spheres, tubes and ellipsoids, epithelia generate mechanical stresses that are generally unknown. Here we engineered curved epithelial monolayers of controlled size and shape and mapped their state of stress. We designed pressurized epithelia with circular, rectangular and ellipsoidal footprints. We developed a computational method to map the stress tensor in these epithelia. This method establishes a direct correspondence between epithelial shape and mechanical stress without assumptions of material properties. In epithelia with spherical geometry spanning more than one order of magnitude in radius, we show that stress weakly increases with areal strain in a size-independent manner. In epithelia with rectangular and ellipsoidal cross-section we found pronounced stress anisotropies consistent with the asymmetric distribution of tractions measured at the cell-substrate contact line. In these anisotropic profiles, cell shape tended to align with the direction of maximum principal stress but this alignment was non-universal and depended on epithelial geometry. Besides interrogating the fundamental mechanics of epithelia over a broad range of sizes and shapes, our approach will enable a systematic study of how geometry and stress influence epithelial fate and function in three-dimensions.