Background: Pain is one of the most common and distressing symptoms reported by adolescents with cancer. Despite advancements in pain assessment and management research, pain due to cancer and/or its treatments continues to be poorly managed. Our research group has developed a native iPhone application (app) called Pain Squad to tackle the problem of poorly managed pain in the adolescent with cancer group. The app functions as an electronic pain diary and is unique in its ability to collect data on pain intensity, duration, location, and the impact pain has on an adolescent's life (ie, relationships, school work, sleep, mood). It also evaluates medications and other physical and psychological pain management strategies used. Users are prompted twice daily at configurable times to complete 20 questions characterizing their pain and the app transmits results to a database for aggregate reporting through a Web interface. Each diary entry represents a pain case filed by an adolescent with cancer and a reward system (ie, moving up through law-enforcement team ranks, built-in videotaped acknowledgements from fictitious officers) encourages consistent use of the diary. Objective: Our objective was to design, develop, and test the usability, feasibility, compliance, and satisfaction of a game-based smartphone pain assessment tool for adolescents with cancer. Methods: We used both low- and high-fidelity qualitative usability testing with qualitative semi-structured, audio-taped interviews and iterative cycles to design and refine the iPhone based Pain Squad app. Qualitative thematic analysis of interviews using constant comparative methodology captured emergent themes related to app usability. Content validity was assessed using question importance-rating surveys completed by participants. Compliance and satisfaction data were collected following a 2-week feasibility trial where users were alarmed to record their pain twice daily on the app. Results: Thematic analysis of usability interviews showed the app to be appealing overall to adolescents. Analyses of both low- and high-fidelity testing resulted in minor revisions to the app to refine the theme and improve its usability. Adolescents resoundingly endorsed the game-based nature of the app and its virtual reward system. The importance of app pain diary questions was established by content validity analysis. Compliance with the app, assessed during feasibility testing, was high (mean 81%, SD 22%) and adolescents from this phase of the study found the app likeable, easy to use, and not bothersome to complete. Conclusions: A multifaceted usability approach demonstrated how the Pain Squad app could be made more appealing to children and adolescents with cancer. The game-based nature and built-in reward system of the app was appealing to adolescents and may have resulted in the high compliance rates and satisfaction ratings observed during clinical feasibility testing.

The study of nuclear mechanical properties can provide insights into nuclear dynamics and its role in cellular mechanotransduction. While several methods have been developed to characterize nuclear mechanical properties, direct intracellular probing of the nucleus in situ is challenging. Here, a modified AFM (atomic force microscopy) needle penetration technique is demonstrated to mechanically characterize cell nuclei in situ. Cytoplasmic and nuclear stiffness were determined based on two different segments on the AFM indentation curves and were correlated with simultaneous confocal Z-stack microscopy reconstructions. On the basis of direct intracellular measurement, we show that the isolated nuclei from fibroblast-like cells exhibited significantly lower Young's moduli than intact nuclei in situ. We also show that there is in situ nucleus softening in the highly metastatic bladder cancer cell line T24 when compared to its less metastatic counterpart RT4. This technique has potential to become a reliable quantitative measurement tool for intracellular mechanics studies.

ABSTRACT Numerous biophysical hypotheses invoke tissue stiffness as a key parameter for shaping tissue during development and for influencing cell behaviours during disease progression. However, currently available methods are insufficient to test hypotheses that concern the physical properties of bulk tissues. Here we introduce, validate and apply a new 3D magnetic device that generates a uniform magnetic field gradient within a space that is sufficient to accommodate a vertebrate, organ-stage embryo under live conditions. The device allows for rapid, nontoxic measurement of the spatial variation of absolute elastic modulus and viscosity deep within mesenchymal tissues and within epithelia. By applying the device to map the spatiotemporal variation of viscoelastic properties within the early mouse limb bud, we identified an anteriorly biased mesodermal stiffness gradient along which cells move collectively to shape the early bud. Tissue stiffness corresponds to the nascent expression domain of fibronectin that is Wnt5a -dependent. The findings challenge the notion that Wnt5a regulates cell movements by chemotaxis, and raises the possibility that Wnt5a modifies the tissue microenvironment to promote durotaxis in vivo . Importantly, the ability to precisely measure tissue stiffness in 3D has the potential to instigate and refine mechanisms of development and disease progression.

Abstract Smooth muscle guides morphogenesis of several epithelia during organogenesis, including the mammalian airways. However, it remains unclear how airway smooth muscle differentiation is spatiotemporally patterned and whether it originates from distinct mesenchymal progenitors. Using single-cell RNA-sequencing of embryonic mouse lungs, we show that the pulmonary mesenchyme contains a continuum of cell identities, but no distinct progenitors. Transcriptional variability correlates with sub-epithelial and sub-mesothelial mesenchymal compartments that are regulated by Wnt signaling. Live-imaging and tension-sensors reveal compartment-specific migratory behaviors and cortical forces, and show that sub-epithelial mesenchyme contributes to airway smooth muscle. Cytoskeletal and Wnt signaling pathways are activated early in reconstructed differentiation trajectories. Consistently, Wnt activation stimulates the earliest stages of smooth muscle differentiation and induces local accumulation of mesenchymal F-actin, which influences epithelial morphology. Our single-cell approach uncovers the principles of pulmonary mesenchymal patterning during branching morphogenesis and identifies a morphogenetically active mesenchymal layer that sculpts the airway epithelium.

ABSTRACT Physical processes ultimately drive morphogenetic cell movements. Two proposals are that 1) cells migrate toward stiffer tissue (durotaxis) and that 2) the extent of cell rearrangements reflects liquid-solid tissue phase. It is unclear whether and how these concepts are related. Here, we identify fibronectin-dependent tissue stiffness as a control variable that underlies and unifies these phenomena in vivo . In murine limb bud mesoderm, cells are either caged, move directionally by durotaxis or intercalate as a function of their location along a stiffness gradient. A unifying stiffness-phase transition model that is based on a Landau equation accurately predicts cell diffusivity upon loss or gain of fibronectin. Fibronectin is regulated by a WNT5A-YAP positive feedback pathway that controls cell movements, tissue shape and skeletal pattern. The results identify a key determinant of phase transition and show how durotaxis emerges in a mixed phase environment in vivo .

The skull roof, or calvaria, is comprised of interlocking plates of bone. Premature suture fusion (craniosynostosis, CS) or persistent fontanelles are common defects in calvarial development. Although some of the genetic causes of these disorders are known, we lack an understanding of the instructions directing the growth and migration of progenitors of these bones, which may affect the suture patency. Here, we identify graded expression of Fibronectin (FN1) protein in the mouse embryonic cranial mesenchyme (CM) that precedes the apical expansion of calvarial osteoblasts. Syndromic forms of CS exhibit dysregulated FN1 expression, and we find FN1 expression is altered in a mouse CS model as well. Conditional deletion of

Collective cell motions underlie structure formation during embryonic development. Tissues exhibit emergent multicellular characteristics such as jamming, rigidity transitions, and glassy dynamics, but there remain questions about how those tissue scale dynamics derive from local cell level properties. Specifically, there has been little consideration of the interplay between local tissue geometry and cellular properties influencing larger scale tissue behaviours. Here we consider a simple two dimensional computational vertex model for confluent tissue monolayers, which exhibits a rigidity phase transition controlled by the shape index (ratio of perimeter to square root area) of cells, on surfaces of constant curvature. We show that the critical point for the rigidity transition is a function of curvature such that positively curved systems are likely to be in a less rigid, more fluid, phase. Likewise, negatively curved systems (saddles) are likely to be in a more rigid, less fluid, phase. A phase diagram we generate for the curvature and shape index constitutes a testable prediction from the model. The curvature dependence is interesting because it suggests a natural explanation for more dynamic tissue remodelling and facile growth in regions of higher surface curvature, without invoking the need for biochemical or other physical differences. This has potential ramifications for our understanding of morphogenesis of budding and branching structures.

Abstract YAP protein is a critical regulator of mammalian embryonic development. By generating a near-infrared fusion YAP reporter mouse line, we have achieved high-resolution live imaging of YAP localization during mouse embryonic development. We have validated the reporter by demonstrating its predicted responses to blocking LATs kinase activity or blocking cell polarity. By time lapse imaging preimplantation embryos, we revealed a mitotic reset behavior of YAP nuclear localization. We also demonstrated deep tissue live imaging in post-implantation embryos and revealed an intriguing nuclear YAP pattern in migrating cells. The YAP fusion reporter mice and imaging methods will open new opportunities for understanding dynamic YAP signaling in vivo in many different situations.

ABSTRACT Apical expansion of calvarial osteoblast progenitors from the cranial mesenchyme (CM) above the eye is integral to calvarial growth and enclosure of the brain. The cellular behaviors and signals underlying the morphogenetic process of calvarial expansion are unknown. Time-lapse light-sheet imaging of mouse embryos revealed calvarial progenitors intercalate in 3D in the CM above the eye, and exhibit protrusive and crawling activity more apically. CM cells express non-canonical Wnt/planar cell polarity (PCP) core components and calvarial osteoblasts are bidirectionally polarized. We found non-canonical ligand Wnt5a−/− mutants have less dynamic cell rearrangements and protrusive activity. Loss of CM-restricted Wntless (CM-Wls), a gene required for secretion of all Wnt ligands, led to diminished apical expansion of Osx+ calvarial osteoblasts in the frontal bone primordia in a non-cell autonomous manner without perturbing proliferation or survival. Calvarial osteoblast polarization, progressive cell elongation and enrichment for actin along the baso-apical axis were dependent on CM-Wnts. Thus, CM-Wnts regulate cellular behaviors during calvarial morphogenesis for efficient apical expansion of calvarial osteoblasts. These findings also offer potential insights into the etiologies of calvarial dysplasias.

Apical expansion of calvarial osteoblast progenitors from the cranial mesenchyme (CM) above the eye is integral for calvarial growth and enclosure of the brain. The cellular behaviors and signals underlying the morphogenetic process of calvarial expansion are unknown. During apical expansion, we found that mouse calvarial primordia have consistent cellular proliferation, density, and survival with complex tissue scale deformations, raising the possibility that morphogenetic movements underlie expansion. Time lapse light sheet imaging of mouse embryos revealed that calvarial progenitors intercalate in 3D to converge supraorbital arch mesenchyme mediolaterally and extend it apically. In contrast, progenitors located further apically exhibited protrusive and crawling activity. CM cells express non-canonical Wnt/Planar Cell Polarity (PCP) core components and calvarial osteoblasts are bidirectionally polarized. We found non-canonical ligand, Wnt5a-/- mutants have less dynamic cell rearrangements, protrusive activity, and a flattened head shape. Loss of cranial mesenchyme-restricted Wntless (CM-Wls), a gene required for secretion of all Wnt ligands, led to diminished apical expansion of OSX+ calvarial osteoblasts in the frontal bone primordia in a non-cell autonomous manner without perturbing proliferation or survival. Calvarial osteoblast polarization, progressive cell elongation and enrichment for actin cytoskeleton protein along the baso-apical axis were dependent on CM-Wnts. Thus, CM-Wnts regulate cellular behaviors during calvarial morphogenesis and provide tissue level cues for efficient apical expansion of calvarial osteoblasts. These findings also offer potential insights into the etiologies of calvarial dysplasias.