Phagocytosis is an intensely physical process that depends on the mechanical properties of both the phagocytic cell and its chosen target. Here, we employed differentially deformable hydrogel microparticles to examine the role of cargo rigidity in the regulation of phagocytosis by macrophages. Whereas stiff cargos elicited canonical phagocytic cup formation and rapid engulfment, soft cargos induced an architecturally distinct response, characterized by filamentous actin protrusions at the center of the contact site, slower cup advancement, and frequent phagocytic stalling. Using phosphoproteomics, we identified β 2 integrins and their downstream effectors as critical mediators of this mechanically regulated phagocytic switch. Indeed, comparison of wild type and β 2 integrin deficient macrophages indicated that integrin signaling acts as a mechanical checkpoint by shaping filamentous actin to enable distinct phagocytic engulfment strategies. Collectively, these results illuminate the molecular logic of leukocyte mechanosensing and reveal potential avenues for modulating phagocyte function in immunotherapeutic contexts.

Immune cells have intensely physical lifestyles characterized by structural plasticity and force exertion. To investigate whether specific immune functions require stereotyped mechanical outputs, we used super-resolution traction force microscopy to compare the immune synapses formed by cytotoxic T cells with contacts formed by other T cell subsets and by macrophages. T cell synapses were globally compressive, which was fundamentally different from the pulling and pinching associated with macrophage phagocytosis. Spectral decomposition of force exertion patterns from each cell type linked cytotoxicity to compressive strength, local protrusiveness, and the induction of complex, asymmetric topography. These features were validated as cytotoxic drivers by genetic disruption of cytoskeletal regulators, live imaging of synaptic secretion, and in silico analysis of interfacial distortion. Synapse architecture and force exertion were sensitive to target stiffness and size, suggesting that the mechanical potentiation of killing is biophysically adaptive. We conclude that cellular cytotoxicity and, by implication, other effector responses are supported by specialized patterns of efferent force.

Immune cells live intensely physical lifestyles characterized by structural plasticity, mechanosensitivity, and force exertion. Whether specific immune functions require stereotyped patterns of mechanical output, however, is largely unknown. To address this question, we used super-resolution traction force microscopy to compare cytotoxic T cell immune synapses with contacts formed by other T cell subsets and macrophages. T cell synapses were globally and locally protrusive, which was fundamentally different from the coupled pinching and pulling of macrophage phagocytosis. By spectrally decomposing the force exertion patterns of each cell type, we associated cytotoxicity with compressive strength, local protrusiveness, and the induction of complex, asymmetric interfacial topographies. These features were further validated as cytotoxic drivers by genetic disruption of cytoskeletal regulators, direct imaging of synaptic secretory events, and in silico analysis of interfacial distortion. We conclude that T cell-mediated killing and, by implication, other effector responses are supported by specialized patterns of efferent force.

ABSTRACT Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) use immune synapses to destroy infected or transformed target cells. Although the mechanisms governing synapse assembly have been studied extensively, little is known about how this interface dissociates, which is a critical step that both frees the CTL to search for additional prey and enables the phagocytosis of target corpses. Here, we applied time-lapse imaging to explore the basis for synapse dissolution and found that it occurred concomitantly with the cytoskeletal contraction of apoptotic targets. Genetic and pharmacological disruption of apoptotic contraction indicated that it was necessary for CTL dissociation. Furthermore, acute stimulation of contractile forces triggered the release of live targets, demonstrating that contraction is sufficient to drive the response. Finally, mechanically amplifying apoptotic contractility promoted faster CTL detachment and serial killing. Collectively, these results establish a biophysical basis for synapse dissolution and highlight the importance of mechanosensory feedback in the regulation of cell-cell interactions.

Force exertion is an integral part of cellular behavior. Traction force microscopy (TFM) has been instrumental for studying such forces, providing both spatial and directional force measurements at subcellular resolution. However, the applications of classical TFM are restricted by the typical planar geometry. Here, we develop a particle-based force sensing strategy, specifically designed for studying ligand-dependent cellular interactions. We establish a straightforward batch approach for synthesizing highly uniform, deformable and tunable hydrogel particles, which can also be easily derivatized to trigger specific cellular behavior. The 3D shape of such particles can be resolved with superresolution (<50 nm) accuracy using conventional confocal microscopy. We introduce a computational method that allows inference of surface traction forces with high sensitivity (~10 Pa) directly from the particle shape. We illustrate the potential and flexibility of this approach by revealing surprising subcellular force patterns throughout phagocytic engulfment and measuring dynamics of cytotoxic T cell force exertion in the immunological synapse. This strategy can readily be adapted for studying cellular forces in a wide range of applications.

Abstract The secretory output of cell-cell interfaces must be tightly controlled in space and time to ensure functional efficacy. This is particularly true for the cytotoxic immune synapse (IS), the stereotyped junction formed between a cytotoxic lymphocyte and the infected or transformed target cell it aims to destroy 1 . Cytotoxic lymphocytes kill their targets by channeling a mixture of granzyme proteases and the pore forming protein perforin directly into the IS 2, 3 . The synaptic secretion of these toxic molecules constrains their deleterious effects to the target cell alone, thereby protecting innocent bystander cells in the surrounding tissue from collateral damage. Despite the importance of this process for immune specificity, the molecular and cellular mechanisms that establish secretory sites within the IS remain poorly understood. Here, we identified an essential role for integrin mechanotransduction in cytotoxic secretion using a combination of single cell biophysical measurements, ligand micropatterning, and functional assays. Upon ligand-binding, the α L β 2 integrin LFA-1 functioned as a spatial cue, attracting lytic granules containing perforin and granzyme and inducing their fusion at closely adjacent sites within the synaptic membrane. LFA-1 molecules were subjected to pulling forces within these secretory domains, and genetic or pharmacological suppression of these forces abrogated cytotoxicity. We conclude that lymphocytes employ an integrin-dependent mechanical checkpoint to enhance both the potency and the security of their cytotoxic output.