Cells comprising a tissue migrate as part of a collective. How collective processes are coordinated over large multi-cellular assemblies has remained unclear, however, because mechanical stresses exerted at cell–cell junctions have not been accessible experimentally. We report here maps of these stresses within and between cells comprising a monolayer. Within the cell sheet there arise unanticipated fluctuations of mechanical stress that are severe, emerge spontaneously, and ripple across the monolayer. Within that stress landscape, local cellular migrations follow local orientations of maximal principal stress. Migrations of both endothelial and epithelial monolayers conform to this behaviour, as do breast cancer cell lines before but not after the epithelial–mesenchymal transition. Collective migration in these diverse systems is seen to be governed by a simple but unifying physiological principle: neighbouring cells join forces to transmit appreciable normal stress across the cell–cell junction, but migrate along orientations of minimal intercellular shear stress. The mechanical stresses within and between cells inside an advancing cellular monolayer are mapped experimentally. Cellular migration is found to be oriented in the direction of maximum principal stress indicating that cells collectively migrate to maintain minimal local intercellular shear stress.

From coffee beans flowing in a chute to cells remodelling in a living tissue, a wide variety of close-packed collective systems-both inert and living-have the potential to jam. The collective can sometimes flow like a fluid or jam and rigidify like a solid. The unjammed-to-jammed transition remains poorly understood, however, and structural properties characterizing these phases remain unknown. Using primary human bronchial epithelial cells, we show that the jamming transition in asthma is linked to cell shape, thus establishing in that system a structural criterion for cell jamming. Surprisingly, the collapse of critical scaling predicts a counter-intuitive relationship between jamming, cell shape and cell-cell adhesive stresses that is borne out by direct experimental observations. Cell shape thus provides a rigorous structural signature for classification and investigation of bronchial epithelial layer jamming in asthma, and potentially in any process in disease or development in which epithelial dynamics play a prominent role.

Mechanical robustness of the cell under different modes of stress and deformation is essential to its survival and function. Under tension, mechanical rigidity is provided by the cytoskeletal network; with increasing stress, this network stiffens, providing increased resistance to deformation. However, a cell must also resist compression, which will inevitably occur whenever cell volume is decreased during such biologically important processes as anhydrobiosis and apoptosis. Under compression, individual filaments can buckle, thereby reducing the stiffness and weakening the cytoskeletal network. However, the intracellular space is crowded with macromolecules and organelles that can resist compression. A simple picture describing their behavior is that of colloidal particles; colloids exhibit a sharp increase in viscosity with increasing volume fraction, ultimately undergoing a glass transition and becoming a solid. We investigate the consequences of these 2 competing effects and show that as a cell is compressed by hyperosmotic stress it becomes progressively more rigid. Although this stiffening behavior depends somewhat on cell type, starting conditions, molecular motors, and cytoskeletal contributions, its dependence on solid volume fraction is exponential in every instance. This universal behavior suggests that compression-induced weakening of the network is overwhelmed by crowding-induced stiffening of the cytoplasm. We also show that compression dramatically slows intracellular relaxation processes. The increase in stiffness, combined with the slowing of relaxation processes, is reminiscent of a glass transition of colloidal suspensions, but only when comprised of deformable particles. Our work provides a means to probe the physical nature of the cytoplasm under compression, and leads to results that are universal across cell type.

Background and Purpose: Thermochromic gel phantoms provide a controlled medium for visual assessment of thermal ablation device performance. However, there are limited studies reporting on the comparative assessment of ablation profiles assessed in thermochromic gel phantoms against those in ex vivo tissue. The objective of this study was to compare microwave ablation zones in a thermochromic tissue mimicking gel phantom and ex vivo bovine liver, and to report on measurements of the temperature dependent dielectric and thermal properties of the phantom. Methods: Thermochromic polyacrylamide phantoms were fabricated following a previously reported protocol. Phantom samples were heated to temperatures in the range of 20-90 degC in a temperature-controlled water bath, and colorimetric analysis of images of the phantom taken after heating were used to develop a calibration between color changes and temperature to which the phantom was heated. Using a custom, 2.45 GHz water-cooled microwave ablation antenna, ablations were performed in fresh ex vivo liver and phantoms using 65 W applied for 5 min or 10 min (n = 3 samples in each medium for each power/time combination). Broadband (500 MHz-6 GHz) temperature-dependent dielectric and thermal properties of the phantom were measured over the temperature range 22-100 degC. Results: Colorimetric analysis showed that the sharp change in gel phantom color commences at a temperature of 57 degC. Short and long axes of the ablation zone in the phantom (as assessed by the 57 degC isotherm) for 65 W, 5 min ablations were aligned with extents of the ablation zone observed in ex vivo bovine liver. However, for the 65 W, 10 min setting, ablations in the phantom were on average 23.7% smaller in short axis and 7.4 % smaller in long axis than those observed in ex vivo liver. Measurements of the temperature dependent relative permittivity, thermal conductivity, and volumetric heat capacity of the phantom largely followed similar trends to published values for ex vivo liver tissue. Conclusion: Thermochromic tissue mimicking phantoms provide a controlled, and reproducible medium for comparative assessment of microwave ablation devices and energy delivery settings, though ablation zone size and shapes may not accurately represent ablation sizes and shapes observed in ex vivo liver tissue under similar conditions.