Abstract Functional tissue architecture originates by self-assembly of distinct cell types, following tissue-specific rules of cell-cell interactions. In the liver, a structural model of the lobule was pioneered by Elias in 1949. This model, however, is in contrast with the apparent random 3D arrangement of hepatocytes. Since then, no significant progress has been made to derive the organizing principles of liver tissue. To solve this outstanding problem, we computationally reconstructed 3D tissue geometry from microscopy images and analyzed it applying soft-condensed-matter-physics concepts. Surprisingly, analysis of the spatial organization of cell polarity revealed that hepatocytes are not randomly oriented but follow a long-range liquid-crystal order. This does not depend exclusively on hepatocytes receiving instructive signals by endothelial cells as generally assumed, since silencing Integrin-ß1 disrupted both liquid-crystal order and organization of the sinusoidal network. Our results suggest that bi-directional communication between hepatocytes and sinusoids underlies the self-organization of liver tissue.

Abstract Analyzing tissue microstructure is essential for understanding complex biological systems in different species. Tissue functions largely depend on their intrinsic tissue architecture. Therefore, studying the three-dimensional (3D) microstructure of tissues, such as the liver, is particularly fascinating due to its conserved essential roles in metabolic processes and detoxification. Here, we present TiMiGNet, a novel deep learning approach for virtual 3D tissue microstructure reconstruction using Generative Adversarial Networks (GANs) and fluorescence microscopy. TiMiGNet overcomes challenges such as poor antibody penetration and time-intensive procedures by generating accurate, high-resolution predictions of tissue components across large volumes without the need of paired images as input. We applied TiMiGNet to analyze tissue microstructure in mouse and human liver tissue. TiMiGNet shows high performance in predicting structures like bile canaliculi, sinusoids, and Kupffer cell shapes from actin meshwork images. Remarkably, using TiMiGNet we were able to computationally reconstruct tissue structures that cannot be directly imaged due experimental limitations in deep dense tissues, a significant advancement in deep tissue imaging. Our open-source virtual prediction tool facilitates accessible and efficient multi-species tissue microstructure analysis, accommodating researchers with varying expertise levels. TiMiGNet’s simplicity and independence from paired images make it a versatile asset. Overall, our method represents a powerful and efficient approach for studying tissue microstructure, with far-reaching applications in diverse biological contexts and species.

Early disease diagnosis is key for the effective treatment of diseases. It relies on the identification of biomarkers and morphological inspection of organs and tissues. Histopathological analysis of human biopsies is the gold standard to diagnose tissue alterations. However, this approach has low resolution and overlooks 3D structural changes that are consequence of functional alterations. Here, we applied multiphoton imaging, 3D digital reconstructions and computational simulations to generate spatially-resolved geometrical and functional models of human liver tissue at different stages of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). We identified a set of new morphometric cellular parameters correlated with disease progression. Moreover, we found profound topological defects in the 3D bile canaliculi (BC) network. Personalized biliary fluid dynamic simulations predicted an increased pericentral biliary pressure and zonated cholestasis, consistent with elevated cholestatic biomarkers in patients' sera. Our spatially-resolved models of human liver tissue can contribute to high-definition medicine by identifying quantitative multi-parametric cellular and tissue signatures to define disease progression and provide new insights into NAFLD pathophysiology.

The mechanisms of organ size control remain poorly understood. A key question is how cells collectively sense the overall status of a tissue. We addressed this problem focusing on mouse liver regeneration, which is controlled by Hippo signalling. Using digital tissue reconstruction and quantitative image analysis, we found that the apical surface of hepatocytes forming the bile canalicular network expands concomitant with an increase of F-actin and phospho-Myosin, to compensate an overload of bile acids. Interestingly, these changes are sensed by the Hippo transcriptional co-activator YAP, which localizes to the apical F-actin-rich region and translocates to the nucleus in dependence of the acto-myosin system. This mechanism tolerates moderate bile acid fluctuations under tissue homeostasis, but activates YAP in response to sustained bile acid overload. Using an integrated biophysical-biochemical model of bile pressure and Hippo signalling, we explained this behaviour by the existence of a mechano-sensory mechanism that activates YAP in a switch-like manner. We propose that the apical surface of hepatocytes acts as a self-regulatory mechano-sensory system that responds to critical levels of bile acids as readout of tissue status.

During cell migration, a complex process intricately influenced by chemical and mechanical cues, the actin and tubulin cytoskeletons serve as central players, dictating cell morphology, polarity, focal adhesion dynamics, and overall motility. Despite the well-established involvement of heterotrimeric G proteins in cell migration, the precise underlying mechanism remains elusive. This study delves into the intricacies of Gαi2 role in cranial neural crest cell migration, revealing its interaction with tubulin and microtubule-associated proteins like EB1 and EB3, suggesting a regulatory function in microtubule dynamics modulation. Gαi2 knockdown led to stabilized microtubules, altered cell morphology, disrupted polarity, increased Rac1-GTP concentration at the leading edge and cell-cell contacts, distorted Par3 and ζPKC localization and impaired cortical actin localization and focal adhesion disassembly. Significantly, treatment with nocodazole, a microtubule-depolymerizing agent, effectively decreased Rac1 activity and rescued cranial neural crest cell morphology, actin distribution, and overall cell migration. Our findings shed light on the intricate molecular mechanisms underlying cranial neural crest cell migration and highlight the pivotal role of Gαi2 in orchestrating microtubule dynamics through EB1 and EB3, modulating Rac1 activity during this crucial developmental process.

Abstract Three dimensional (3D) geometrical models are not only a powerful tool for quantitatively characterizing complex tissues but also useful for probing structure-function relationships in a tissue. However, these models are generally incomplete due to experimental limitations in acquiring multiple (>4) fluorescent channels simultaneously. Indeed, predictive geometrical and functional models of the liver have been restricted to few tissue and cellular components, excluding important cellular populations such as hepatic stellate cells (HSCs) and Kupffer cells (KCs). Here, we performed deep-tissue immunostaining, multiphoton microscopy, deeplearning techniques, and 3D image processing to computationally expand the number of simultaneously reconstructed tissue structures. We then generated a spatio-temporal singlecell atlas of hepatic architecture (Hep3D), including all main tissue and cellular components at different stages of post-natal development in mice. We used Hep3D to quantitatively study 1) hepatic morphodynamics from early post-natal development to adulthood, and 2) the structural role of KCs in the murine liver homeostasis. In addition to a complete description of bile canaliculi and sinusoidal network remodeling, our analysis uncovered unexpected spatiotemporal patterns of non-parenchymal cells and hepatocytes differing in size, number of nuclei, and DNA content. Surprisingly, we found that the specific depletion of KCs alters the number and morphology of the HSCs. These findings reveal novel characteristics of liver heterogeneity and have important implications for both the structural organization of liver tissue and its function. Our next-gen 3D single-cell atlas is a powerful tool to understand liver tissue architecture, under both physiological and pathological conditions.

Abstract Lumen morphogenesis is key to the function of organs and results from the integration of molecular pathways and mechanical forces 1–3 . The mechanisms governing anisotropic lumen expansion remain elusive 4–6 . In contrast to epithelial cells which have simple apico-basal polarity and form tubes, hepatocytes are multi-polar and form narrow lumina that grow anisotropically between adjacent cells, collectively generating a complex 3D network of bile canaliculi (BC) 7,8 . Here, we studied lumen elongation and BC morphogenesis in differentiating primary mouse hepatoblasts in vitro . Remarkably, we discovered a pattern of specific extensions of the apical membrane traversing the lumen between adjacent hepatocytes and sealed by tight junctions, reminiscent of the bulkheads of boats. These structures were also present in the developing liver. A targeted screen revealed that silencing of Rab35 caused loss of the bulkheads, conversion of hepatocyte into simple epithelial polarity and formation of spherical lumina in vitro . Strikingly, we could re-engineer hepatocyte polarity and tissue morphogenesis in vivo in the embryonic liver, converting BC into simple epithelial tubes. Our results suggest that the apical bulkheads of hepatocytes are cell-intrinsic anisotropic mechanical elements that ensure stability of the elongating lumen between two cells, thus determining the structure of BC during liver tissue morphogenesis.