The December 2019 outbreak of a novel respiratory virus, SARS-CoV-2, has become an ongoing global pandemic due in part to the challenge of identifying symptomatic, asymptomatic, and pre-symptomatic carriers of the virus. CRISPR diagnostics can augment gold-standard PCR-based testing if they can be made rapid, portable, and accurate. Here, we report the development of an amplification-free CRISPR-Cas13a assay for direct detection of SARS-CoV-2 from nasal swab RNA that can be read with a mobile phone microscope. The assay achieved ∼100 copies/μL sensitivity in under 30 min of measurement time and accurately detected pre-extracted RNA from a set of positive clinical samples in under 5 min. We combined crRNAs targeting SARS-CoV-2 RNA to improve sensitivity and specificity and directly quantified viral load using enzyme kinetics. Integrated with a reader device based on a mobile phone, this assay has the potential to enable rapid, low-cost, point-of-care screening for SARS-CoV-2.

Light microscopy provides a simple, cost-effective, and vital method for the diagnosis and screening of hematologic and infectious diseases. In many regions of the world, however, the required equipment is either unavailable or insufficiently portable, and operators may not possess adequate training to make full use of the images obtained. Counterintuitively, these same regions are often well served by mobile phone networks, suggesting the possibility of leveraging portable, camera-enabled mobile phones for diagnostic imaging and telemedicine. Toward this end we have built a mobile phone-mounted light microscope and demonstrated its potential for clinical use by imaging P. falciparum-infected and sickle red blood cells in brightfield and M. tuberculosis-infected sputum samples in fluorescence with LED excitation. In all cases resolution exceeded that necessary to detect blood cell and microorganism morphology, and with the tuberculosis samples we took further advantage of the digitized images to demonstrate automated bacillus counting via image analysis software. We expect such a telemedicine system for global healthcare via mobile phone -- offering inexpensive brightfield and fluorescence microscopy integrated with automated image analysis -- to provide an important tool for disease diagnosis and screening, particularly in the developing world and rural areas where laboratory facilities are scarce but mobile phone infrastructure is extensive.

Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) are capable of forming complex intracellular bacterial communities (IBC) within the superficial umbrella cells of the bladders of C3H and BALB/c mice. By using time-lapse fluorescence videomicroscopy to observe infected mouse bladder explants, we discovered that IBCs formed by uropathogenic E. coli progressed through four distinct developmental stages that differed with respect to growth rate, bacterial length, colony organization, motility, and its eventual dispersal. In the first phase, bacteria in the IBC were nonmotile, rod shaped, and grew rapidly in loosely organized colonies free in the cytoplasm of the bladder superficial umbrella cells. In the second phase, the loose collection of bacteria in the IBC matured into a slower growing, highly organized biofilm-like community consisting of coccoid bacteria that ultimately filled most of the cytoplasm. In the third phase, bacteria in the biofilm-like state in the IBC switched to a motile rod-shaped phenotype allowing detachment from the community and eventual fluxing out of the host cell. During the fourth phase, the bacteria filamented. Filamentation appeared to be in response to a Toll-like receptor 4-mediated innate defense mechanism. Bacteria that fluxed out of the superficial umbrella cells were able to reenter the IBC developmental cascade but with slower kinetics and ultimately a quiescent reservoir was established. Intracellular growth and filamentation provided an advantage to the bacteria in evading infiltrating polymorphonuclear leukocytes. This work has developed a technique to observe live infected organs and revealed a complex differentiation pathway that facilitates bacterial persistence in the urinary tract.

The treelike structures of many organs, including the mammary gland, are generated by branching morphogenesis, a reiterative process of branch initiation and invasion from a preexisting epithelium. Using a micropatterning approach to control the initial three-dimensional structure of mouse mammary epithelial tubules in culture, combined with an algorithm to quantify the extent of branching, we found that the geometry of tubules dictates the position of branches. We predicted numerically and confirm experimentally that branches initiate at sites with a local minimum in the concentration of autocrine inhibitory morphogens, such as transforming growth factor–β. These results reveal that tissue geometry can control organ morphogenesis by defining the local cellular microenvironment, a finding that has relevance to control of invasion and metastasis.

Atomic force microscopy (AFM) has become an important tool for quantifying mechanical properties of biological materials ranging from single molecules to cells and tissues. Current AFM techniques for measuring elastic and viscoelastic properties of whole cells are based on indentation of cells firmly adhered to a substrate, but these techniques are not appropriate for probing nonadherent cells, such as passive human leukocytes, due to a lateral instability of the cells under load. Here we present a method for characterizing nonadherent cells with AFM by mechanically immobilizing them in microfabricated wells. We apply this technique to compare the deformability of human myeloid and lymphoid leukemia cells and neutrophils at low deformation rates, and we find that the cells are well described by an elastic model based on Hertzian mechanics. Myeloid (HL60) cells were measured to be a factor of 18 times stiffer than lymphoid (Jurkat) cells and six times stiffer than human neutrophils on average (E∞ = 855 ± 670 Pa for HL60 cells, E∞ = 48 ± 35 Pa for Jurkat cells, E∞ = 156 ± 87 for neutrophils, mean ± SD). This work demonstrates a simple method for extending AFM mechanical property measurements to nonadherent cells and characterizes properties of human leukemia cells that may contribute to leukostasis, a complication associated with acute leukemia.

The mechanical properties of cells play an essential role in numerous physiological processes. Organized networks of semiflexible actin filaments determine cell stiffness and transmit force during mechanotransduction, cytokinesis, cell motility and other cellular shape changes. Although numerous actin-binding proteins have been identified that organize networks, the mechanical properties of actin networks with physiological architectures and concentrations have been difficult to measure quantitatively. Studies of mechanical properties in vitro have found that crosslinked networks of actin filaments formed in solution exhibit stress stiffening arising from the entropic elasticity of individual filaments or crosslinkers resisting extension. Here we report reversible stress-softening behaviour in actin networks reconstituted in vitro that suggests a critical role for filaments resisting compression. Using a modified atomic force microscope to probe dendritic actin networks (like those formed in the lamellipodia of motile cells), we observe stress stiffening followed by a regime of reversible stress softening at higher loads. This softening behaviour can be explained by elastic buckling of individual filaments under compression that avoids catastrophic fracture of the network. The observation of both stress stiffening and softening suggests a complex interplay between entropic and enthalpic elasticity in determining the mechanical properties of actin networks.

Platelets interact with fibrin polymers to form blood clots at sites of vascular injury. Bulk studies have shown clots to be active materials, with platelet contraction driving the retraction and stiffening of clots. However, neither the dynamics of single-platelet contraction nor the strength and elasticity of individual platelets, both of which are important for understanding clot material properties, have been directly measured. Here we use atomic force microscopy to measure the mechanics and dynamics of single platelets. We find that platelets contract nearly instantaneously when activated by contact with fibrinogen and complete contraction within 15 min. Individual platelets can generate an average maximum contractile force of 29 nN and form adhesions stronger than 70 nN. Our measurements show that when exposed to stiffer microenvironments, platelets generated higher stall forces, which indicates that platelets may be able to contract heterogeneous clots more uniformly. The high elasticity of individual platelets, measured to be 10 kPa after contraction, combined with their high contractile forces, indicates that clots may be stiffened through direct reinforcement by platelets as well as by strain stiffening of fibrin under tension due to platelet contraction. These results show how the mechanosensitivity and mechanics of single cells can be used to dynamically alter the material properties of physiologic systems.

Pathological processes in hematologic diseases originate at the single-cell level, often making measurements on individual cells more clinically relevant than population averages from bulk analysis. For this reason, flow cytometry has been an effective tool for single-cell analysis of properties using light scattering and fluorescence labeling. However, conventional flow cytometry cannot measure cell mechanical properties, alterations of which contribute to the pathophysiology of hematologic diseases such as sepsis, diabetic retinopathy, and sickle cell anemia. Here we present a high-throughput microfluidics-based 'biophysical' flow cytometry technique that measures single-cell transit times of blood cell populations passing through in vitro capillary networks. To demonstrate clinical relevance, we use this technique to characterize biophysical changes in two model disease states in which mechanical properties of cells are thought to lead to microvascular obstruction: (i) sepsis, a process in which inflammatory mediators in the bloodstream activate neutrophils and (ii) leukostasis, an often fatal and poorly understood complication of acute leukemia. Using patient samples, we show that cell transit time through and occlusion of microfluidic channels is increased for both disease states compared to control samples, and we find that mechanical heterogeneity of blood cell populations is a better predictor of microvascular obstruction than average properties. Inflammatory mediators involved in sepsis were observed to significantly affect the shape and magnitude of the neutrophil transit time population distribution. Altered properties of leukemia cell subpopulations, rather than of the population as a whole, were found to correlate with symptoms of leukostasis in patients—a new result that may be useful for guiding leukemia therapy. By treating cells with drugs that affect the cytoskeleton, we also demonstrate that their transit times could be significantly reduced. Biophysical flow cytometry offers a low-cost and high-throughput diagnostic and drug discovery platform for hematologic diseases that affect microcirculatory flow.

Compartmentalization of biomolecules within lipid membranes is a fundamental requirement of living systems and an essential feature of many pharmaceutical therapies. However, applications of membrane-enclosed solutions of proteins, DNA, and other biologically active compounds have been limited by the difficulty of forming unilamellar vesicles with controlled contents in a repeatable manner. Here, we demonstrate a method for simultaneously creating and loading giant unilamellar vesicles (GUVs) using a pulsed microfluidic jet. Akin to blowing a bubble, the microfluidic jet deforms a planar lipid bilayer into a vesicle that is filled with solution from the jet and separates from the planar bilayer. In contrast with existing techniques, our method rapidly generates multiple monodisperse, unilamellar vesicles containing solutions of unrestricted composition and molecular weight. Using the microfluidic jetting technique, we demonstrate repeatable encapsulation of 500-nm particles into GUVs and show that functional pore proteins can be incorporated into the vesicle membrane to mediate transport. The ability of microfluidic jetting to controllably encapsulate solutions inside of GUVs creates new opportunities for the study and use of compartmentalized biomolecular systems in science, industry, and medicine.