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.

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].