Accurately replicating and analyzing cellular responses to mechanical cues is vital for exploring metastatic disease progression. However, many of the existing in vitro platforms for applying mechanical stimulation seed cells on synthetic substrates. To better recapitulate physiological conditions, a novel actuating platform is developed with the ability to apply tensile strain on cells at various amplitudes and frequencies in a high-throughput multi-well culture plate using a physiologically-relevant substrate. Suspending fibrillar fibronectin across the body of the magnetic actuator provides a matrix representative of early metastasis for 3D cell culture that is not reliant on a synthetic substrate. This platform enables the culturing and analysis of various cell types in an environment that mimics the dynamic stretching of lung tissue during normal respiration. Metabolic activity, YAP activation, and morphology of breast cancer cells are analyzed within one week of cyclic stretching or static culture. Further, matrix degradation is significantly reduced in breast cancer cell lines with metastatic potential after actuation. These new findings demonstrate a clear suppressive cellular response due to cyclic stretching that has implications for a mechanical role in the dormancy and reactivation of disseminated breast cancer cells to macrometastases.

Abstract A microrobot system comprised of an untethered tumbling magnetic microrobot, a two degree of freedom rotating permanent magnet, and an ultrasound imaging system has been developed for in vitro and in vivo biomedical applications. The microrobot tumbles end-over-end in a net forward motion due to applied magnetic torque from the rotating magnet. By turning the rotational axis of the magnet, two-dimensional directional control is possible and the microrobot was steered along various trajectories, including a circular path and P-shaped path. The microrobot is capable of moving over the unstructured terrain within a murine colon in in vitro , in situ , and in vivo conditions, as well as a porcine colon in ex vivo conditions. High frequency ultrasound imaging allows for real-time determination of the microrobot’s position while it is optically occluded by animal tissue. When coated with a fluorescein payload, the microrobot was shown to release the majority of the payload over a one hour time period in phosphate-buffered saline. Cytotoxicity tests demonstrated that the microrobot’s constituent materials, SU-8 and polydimethylsiloxane (PDMS), did not show a statistically significant difference in toxicity to murine fibroblasts from the negative control, even when the materials were doped with magnetic neodymium microparticles. The microrobot system’s capabilities make it promising for targeted drug delivery and other in vivo biomedical applications.

Limiting cellular plasticity is of key importance for the therapeutic targeting of metastatic breast cancer (MBC). Fibroblast growth receptor (FGFR) is a critical molecule in cellular plasticity and potent inhibitors of FGFR enzymatic activity have been developed, but kinase independent functions for this receptor also contribute to MBC progression. Herein, we evaluated several FGFR inhibitors and find that while FGFR-targeted kinase inhibitors are effective at blocking ligand-induced cell growth, dormant cells persist eventually giving rise to MBC progression. To more broadly target FGFR and cellular plasticity, we examined the FGFR1 proximal promoter, and found several sequences with potential to form G-quadruplex secondary structures. Circular dichroism was used to verify formation of G-quadruplex in the FGFR1 proximal promoter. Importantly, use of the clinical G-quadruplex-stabilizing compound, CX-5461, stabilized the FGFR1 G-quadruplex structures, blocked the transcriptional activity of the FGFR1 proximal promoter, decreased FGFR1 expression, and resulted in potent inhibition of pulmonary tumor formation. Overall, our findings suggest G-quadruplex-targeted compounds could be a potential therapeutic strategy to limit the cellular plasticity of FGFR1 overexpressing MBC.

Abstract Understanding the rheology of minipig and human skin is crucial for enhancing drug delivery methods, particularly for injections. Despite many studies on skin’s viscoelasticity, especially the subcutaneous layer, comparative analyses across different clinical sites are scarce, as is data on the impact of hydration or lipid levels. This study employs shear rheology and lipid analysis to evaluate viscoelasticity and lipid content across three anatomical locations —breast, belly, and neck and three different depth layers in Yucatan minipigs. It reports on how viscoelastic properties change with frequency, time, and strain, noting strain-stiffening and shear-thinning at high strain amplitudes. Human male and female abdominal tissues are also compared to minipig tissues, highlighting distinct viscoelastic traits and lipid’s role in them. The findings suggest the existence of species, anatomical location, tissue depth, and sex-based rheological differences. We also concluded the minipig male tissue is a more accurate model for human male subcutaneous tissue than for females.

The ability of breast cancer cells to interconvert between epithelial and mesenchymal states contributes to their metastatic potential. As opposed to cell autonomous effects, the impact of epithelial-mesenchymal plasticity (EMP) on primary and metastatic tumor microenvironments remains poorly characterized. Herein we utilize global gene expression analyses to characterize a metastatic model of EMP as compared to their non-metastatic counterparts. Using this approach we demonstrate that upregulation of the extracellular matrix crosslinking enzyme tissue transglutaminase-2 (TGM2) is part of novel gene signature that only emerges in metastatic cells that have undergone induction and reversion of epithelial-mesenchymal transition (EMT). Consistent with our model system patient survival is diminished when primary tumors demonstrate enhanced levels of TGM2 in conjunction with its substrate, fibronectin. Targeted depletion of TGM2 inhibits metastasis, while overexpression of TGM2 is sufficient to enhance this process. In addition to being present within cells, we demonstrate a robust increase in the amount of TGM2 and crosslinked fibronectin present within extracellular vesicle (EV) fractions derived from metastatic breast cancer cells. Confocal microscopy of these EVs suggests that FN becomes fibrillated on their surface via a TGM2 and Tesin1-dependent process. Upon in vivo administration, the ability of tumor-derived EVs to induce metastatic niche formation and enhance subsequent pulmonary tumor growth requires the presence and activity of TGM2. Finally, we develop a novel 3D model of the metastatic niche to demonstrate that education of pulmonary fibroblasts via pretreatment with tumor-derived EVs promotes subsequent growth of breast cancer cells in a TGM2-dependent fashion. Overall, our studies illustrate a novel mechanism through which EMP contributes to metastatic niche development and distant metastasis via tumor-derived EVs containing abberent levels of TGM2 and fibular FN.

Oncogenic mutations in KRAS are present in approximately 95% of patients diagnosed with pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and are considered the initiating event of pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN) precursor lesions. While it is well established that KRAS mutations drive the activation of oncogenic kinase cascades during pancreatic oncogenesis, the effects of oncogenic KRAS signaling on regulation of phosphatases during this process is not fully appreciated. Protein Phosphatase 2A (PP2A) has been implicated in suppressing KRAS-driven cellular transformation. However, low PP2A activity is observed in PDAC cells compared to non-transformed cells, suggesting that suppression of PP2A activity is an important step in the overall development of PDAC. In the current study, we demonstrate that KRAS

Subcutaneous (SC) injection of protein-based therapeutics is a convenient and clinically established drug delivery method. However, progress is needed to increase the bioavailability. Transport of low molecular weight (

ABSTRACT To elucidate the mechanisms of cellular mechanotransduction, it is necessary to employ biomaterials that effectively merge biofunctionality with appropriate mechanical characteristics. Agarose and collagen separately are common biopolymers used in cartilage mechanobiology and mechanotransduction studies but lack features that make them ideal for functional engineered cartilage. In this study, agarose (8% w/v and 4% w/v) is blended with collagen type I (4mg/mL) to create composites. We hypothesized that a higher stiffness, composite hydrogel would promote native cartilage-like conditions. To address these questions, acellular and cell-laden studies were completed to assess rheologic and compressive properties, contraction, and structural homogeneity in addition to matrix mechanics, cell proliferation, and glycosaminoglycan production. Over 21 days in culture, cellular 4% agarose – 2mg/mL collagen I hydrogels displayed good structural and bulk mechanical properties, cell proliferation, and continual glycosaminoglycan production, indicating promise towards the development of an effective hydrogel for chondrocyte mechanotransduction and mechanobiology studies. Graphical Abstract