Immune cells such as natural killer (NK) cells migrate with high speeds of several µm/min through dense tissue, but the traction forces are unknown. We present a method to measure dynamic traction forces of fast migrating cells in non-linear biopolymer matrices. The method accounts for the mechanical non-linearity of the 3D tissue matrix and can be applied to time series of confocal or bright-field image stacks. The method is highly sensitive over a large range of forces and object sizes, from ∼1 nN for axon growth cones up to ∼10 µN for mouse intestinal organoids. We find that NK cells display bursts of large traction forces that increase with matrix stiffness and facilitate migration through tight constrictions.

To reach targets outside the bloodstream, immune cells can extravasate and migrate through connective tissue. During tissue infiltration, immune cells migrate in an amoeboid fashion, characterized by weak matrix adhesions and low traction forces, that allows them to achieve high migration speeds of up to 10 μm/min. How immune cells reconcile amoeboid migration with the need to overcome steric hindrance in dense matrices is currently not understood. Here we show that when confronted with steric hindrance, immune cells can switch from their default amoeboid migration mode to a highly contractile, mesenchymal-like migration mode. We use time-lapse confocal reflection microscopy to obtain simultaneous measurements of migration speed, directional persistence, and cell contractility in 3D biopolymer networks. We find that NK92 (natural killer) cells are highly mechanoresponsive and exert substantial acto-myosin driven, integrin-mediated contractile forces of up to 100 nN on the extracellular matrix during short contractile phases. This burst-like contractile behavior is also found in primary B, T, NK cells, neutrophils, and monocytes, and is specifically used by the cells to avoid getting stuck in narrow pores of the surrounding matrix. Our results demonstrate that steric hindrance guides the rapid regulation of integrin-mediated adhesion to the ECM in a large number of immune cell subtypes.

Natural killer (NK) cells are important effector cells in the immune response to cancer. Clinical trials on adoptively transferred NK cells in patients with solid tumors, however, have thus far been unsuccessful. As NK cells need to pass stringent safety evaluation for clinical use, the cells are cryopreserved to bridge the necessary evaluation time. While a degranulation assay confirms the ability of cryopreserved NK cells to kill target cells, we find a significant decrease of cytotoxicity after cryopreservation in a chromium release assay. We complement these standard assays with measurements of NK cell motility and cytotoxicity in 3-dimensional (3-D) collagen gels that serve as a substitute for connective tissue. We find a 5.6 fold decrease of cytotoxicity after cryopreservation and establish that this is mainly caused by a 6-fold decrease in the fraction of motile NK cells. These findings may explain the persistent failure of NK cell therapy in patients with solid tumors and highlight the crucial role of a 3-D environment for testing NK cell function.