Cells cultured in 3D fibrous biopolymer matrices exert traction forces on their environment that induce deformations and remodeling of the fiber network. By measuring these deformations, the traction forces can be reconstructed if the mechanical properties of the matrix and the force-free matrix configuration are known. These requirements severely limit the applicability of traction force reconstruction in practice. In this study, we test whether force-induced matrix remodeling can instead be used as a proxy for cellular traction forces. We measure the traction forces of hepatic stellate cells and different glioblastoma cell lines and quantify matrix remodeling by measuring the fiber orientation and fiber density around these cells. In agreement with simulated fiber networks, we demonstrate that changes in local fiber orientation and density are directly related to cell forces. By resolving Rho-kinase (ROCK) Inhibitor-induced changes of traction forces and fiber alignment and density in hepatic stellate cells, we show that the method is suitable for drug screening assays. We conclude that differences in local fiber orientation and density, which are easily measurable, can be used as a qualitative proxy for changes in traction forces. The method is available as an open-source Python package with a graphical user interface.

Abstract The mechanical interplay between contractility and mechanosensing in striated muscles is of fundamental importance for tissue morphogenesis, load adaptation, and disease progression, but remains poorly understood. In this study, we investigate the dependence of contractile force generation of cardiac and skeletal muscle on environmental stiffness. Using in vitro engineered muscle micro-tissues that are attached to flexible elastic pillars, we vary the stiffness of the microenvironment over three orders of magnitude and study its effect on contractility. We find that the active contractile force upon electrical stimulation of both cardiac and skeletal micro-tissues increases with environmental stiffness according to a strong power-law relationship. To explore the role of adhesion-mediated mechanotransduction processes, we deplete the focal adhesion protein β-parvin in skeletal micro-tissues. This reduces the absolute contractile force but leaves the mechanoresponsiveness unaffected. Our findings highlight the influence of external stiffness on the adaptive behavior of muscle tissue and shed light on the complex mechanoadaptation processes in striated muscle.

Abstract Desminopathies comprise hereditary myopathies and cardiomyopathies caused by mutations in the intermediate filament protein desmin that lead to severe and often lethal degeneration of striated muscle tissue. Animal and single cell studies hinted that this degeneration process is associated with massive ultrastructural defects correlating with increased susceptibility of the muscle to acute mechanical stress. The underlying mechanism of mechanical susceptibility, and how muscle degeneration develops over time, however, has remained elusive. Here, we investigated the effect of a desmin mutation on the formation, differentiation, and contractile function of in vitro -engineered three-dimensional micro-tissues grown from muscle stem cells (satellite cells) isolated from heterozygous R349P desmin knock-in mice. Micro-tissues grown from desmin-mutated cells exhibited spontaneous unsynchronized contractions, higher contractile forces in response to electrical stimulation, and faster force recovery compared to tissues grown from wild-type cells. Within one week of culture, the majority of R349P desmin-mutated tissues disintegrated, whereas wild-type tissues remained intact over at least three weeks. Moreover, under tetanic stimulation lasting less than five seconds, desmin-mutated tissues partially or completely ruptured, whereas wild-type tissues did not display signs of damage. Our results demonstrate that the progressive degeneration of desmin-mutated micro-tissues is closely linked to extracellular matrix fiber breakage associated with increased contractile forces and unevenly distributed tensile stress. This suggests that the age-related degeneration of skeletal and cardiac muscle in patients suffering from desminopathies may be similarly exacerbated by mechanical damage from high-intensity muscle contractions. We conclude that micro-tissues may provide a valuable tool for studying the organization of myocytes and the pathogenic mechanisms of myopathies.