Abstract In development of an embryo, healing of a wound, or progression of a carcinoma, a requisite event is collective epithelial cellular migration. For example, cells at the advancing front of a wound edge tend to migrate collectively, elongate substantially, and exert tractions more forcefully compared with cells many ranks behind. With regards to energy metabolism, striking spatial gradients have recently been reported in the wounded epithelium, as well as in the tumor, but within the wounded cell layer little is known about the link between mechanical events and underlying energy metabolism. Using the advancing confluent monolayer of MDCKII cells as a model system, here we report at single cell resolution the evolving spatiotemporal fields of cell migration speeds, cell shapes, and traction forces measured simultaneously with fields of multiple indices of cellular energy metabolism. Compared with the epithelial layer that is unwounded, which is non-migratory, solid-like and jammed, the leading edge of the advancing cell layer is shown to become progressively more migratory, fluid-like, and unjammed. In doing so the cytoplasmic redox ratio becomes progressively smaller, the NADH lifetime becomes progressively shorter, and the mitochondrial membrane potential and glucose uptake become progressively larger. These observations indicate that a metabolic shift toward glycolysis accompanies collective cellular migration but show, further, that this shift occurs throughout the cell layer, even in regions where associated changes in cell shapes, traction forces, and migration velocities have yet to penetrate. In characterizing the wound healing process these morphological, mechanical, and metabolic observations, taken on a cell-by-cell basis, comprise the most comprehensive set of biophysical data yet reported. Together, these data suggest the novel hypothesis that the unjammed phase evolved to accommodate fluid-like migratory dynamics during episodes of tissue wound healing, development, and plasticity, but is more energetically expensive compared with the jammed phase, which evolved to maintain a solid-like non-migratory state that is more energetically economical. Two sentence summary At the leading front of an advancing confluent epithelial layer, each cell tends to migrate, elongate, and pull on its substrate far more than do cells many ranks behind, but little is known about underlying metabolic events. Using the advancing monolayer of MDCKII cells as a model of wound healing, here we show at single cell resolution that physical changes associated with epithelial layer unjamming are accompanied by an overall shift toward glycolytic metabolism.

Abstract Triple-negative breast cancer (TNBC) is characterized by poor prognosis and aggressive growth, with limited therapeutic options for many patients. Here, we use two syngeneic mouse TNBC models, 4T1 and E0771, to investigate the chemo-immunogenic potential of cyclophosphamide and the mechanistic contributions of cyclophosphamide-activated type-I interferon (IFN) signaling to therapeutic activity. Chemically-activated cyclophosphamide induced robust IFNα/β receptor-1-dependent signaling linked to hundreds of IFN-stimulated gene responses in both TNBC lines. Further, in 4T1 tumors, cyclophosphamide given on a medium-dose, 6-day intermittent metronomic schedule induced strong IFN signaling but comparatively weak immune cell infiltration associated with long-term tumor growth stasis. Induction of IFN signaling was somewhat weaker in E0771 tumors but was followed by extensive downstream gene responses, robust immune cell infiltration and prolonged tumor regression. The immune dependence of these effective anti-tumor responses was established by CD8 T-cell immunodepletion, which blocked cyclophosphamide-induced E0771 tumor regression and led to tumor stasis followed by regrowth. Strikingly, IFNα/β receptor-1 antibody blockade was even more effective in preventing E0771 immune cell infiltration and blocked the major tumor regression induced by cyclophosphamide treatment. Type-I IFN signaling is thus essential for the robust chemo-immunogenic response of these TNBC tumors to cyclophosphamide administered on a metronomic schedule. Significance TNBC has poor prognosis and few therapeutic options. We show that cyclophosphamide treatment can induces extensive tumor regression in syngeneic mouse models of TNBC via a chemo-immunogenic mechanism linked to type-I IFN production. Our findings establish that IFN signaling is essential for the robust anti-tumor actions of cyclophosphamide and suggest that treatment resistance may stem from silencing the IFN pathway. This suggests a new avenue for improving TNBC treatment efficacy.

SignificanceThe estimation of tissue optical properties using diffuse optics has found a range of applications in disease detection, therapy monitoring, and general health care. Biomarkers derived from the estimated optical absorption and scattering coefficients can reflect the underlying progression of many biological processes in tissues.AimComplex light–tissue interactions make it challenging to disentangle the absorption and scattering coefficients, so dedicated measurement systems are required. We aim to help readers understand the measurement principles and practical considerations needed when choosing between different estimation methods based on diffuse optics.ApproachThe estimation methods can be categorized as: steady state, time domain, time frequency domain (FD), spatial domain, and spatial FD. The experimental measurements are coupled with models of light–tissue interactions, which enable inverse solutions for the absorption and scattering coefficients from the measured tissue reflectance and/or transmittance.ResultsThe estimation of tissue optical properties has been applied to characterize a variety of ex vivo and in vivo tissues, as well as tissue-mimicking phantoms. Choosing a specific estimation method for a certain application has to trade-off its advantages and limitations.ConclusionOptical absorption and scattering property estimation is an increasingly important and accessible approach for medical diagnosis and health monitoring.

ABSTRACT Tumor invasion depends upon properties of both cells and of the extracellular matrix (ECM). Despite ample evidence that cancer cells can modulate their material state during invasion, underlying biophysical mechanisms remain unclear. Here, we show the potential for coexistence of – and transition between – solid-like, fluid-like, and gas-like phases in invading breast cancer spheroids. Epithelial spheroids are nearly jammed and solid-like in the core but unjam at the periphery to invade as a fluid-like collective. Conversely, post-metastatic spheroids are unjammed and fluid-like in the core and – depending on ECM density – can further unjam and invade as gas-like single cells, or re-jam to invade as a fluid-like collective. A novel jamming phase diagram predicts material phases that are superficially similar to inanimate systems at thermodynamic equilibrium, but here arising in living systems, which exist far from equilibrium. We suggest that non-equilibrium phase separation may provide a unifying physical picture of tumor invasion. TWO-SENTENCE SUMMARY Using tumor spheroids invading into an engineered three-dimensional matrix, we show here that the cellular collective exhibits coexistent solid-like, fluid-like, and gas-like phases. The spheroid interior develops spatial and temporal heterogeneities in material phase which, depending upon cell type and matrix density, ultimately result in a variety of phase separation patterns at the invasive front, as captured by a jamming phase diagram.

Continuous and non-invasive blood pressure (BP) monitoring has the potential to greatly improve hypertension diagnosis and management, along with enabling valuable personal health monitoring in the population at large. Existing methods rely on cuff-based sphygmomanometers, which are cumbersome and disrupt sleep. Despite extensive research utilizing photoplethysmography (PPG), which is integrated into many consumer wearables, errors in continuous BP estimation are generally considered unacceptable for general use. We developed a high-speed (390 Hz) Speckle Contrast Optical Spectroscopy (SCOS) system to measure the cardiac blood flow waveform simultaneously with the PPG signal at high temporal resolution. The system utilized high speed multiplexed detection of optical speckle patterns on the wrist and finger, enabling the extraction of novel features related to BP. In comparison to PPG alone, SCOS demonstrated a notable 31% improvement (p = 3.45 * 10 -7 ) in systolic BP estimation when integrated into subject-specific machine-learning models. The resulting errors were remarkably low (systolic BP: 0.06+/- 2.88 mmHg, diastolic BP: 0.09 +/-2.14 mmHg) across a wide range of BP variations (range SBP: 89-284 mmHg). Importantly, this improvement was sustained several weeks later within a re-measured cohort, indicating highly robust BP predictions. Looking ahead, the use of SCOS for blood flow measurements holds the potential to substantially enhance BP estimations compared to conventional PPG-based methods.

Significance: Mechanical ventilation (MV) is a cornerstone technology in the intensive care unit as it assists with the delivery of oxygen in critical ill patients. The process of weaning patients from MV can be long, and arduous and can lead to serious complications for many patients. Despite the known importance of inspiratory muscle function in the success of weaning, current clinical standards do not include direct monitoring of these muscles. Aim: The goal of this project was to develop and validate a combined frequency domain near infrared spectroscopy (FD-NIRS) and diffuse correlation spectroscopy (DCS) system for the noninvasive characterization of inspiratory muscle response to a load. Approach: The system was fabricated by combining a custom digital FD-NIRS and DCS system. It was validated via liquid phantom titrations and a healthy volunteer study. The sternocleidomastoid (SCM), an accessory muscle of inspiration, was monitored during a short loading period in fourteen young healthy volunteer. Volunteers performed two different respiratory exercises, a moderate and high load, which consisted of a one-minute baseline, a one-minute load, and a six-minute recovery period. Results: The system has low crosstalk between absorption, reduced scattering, and flow when tested in a set of liquid titrations. Faster dynamics were observed for changes in blood flow index (BFi), and metabolic rate of oxygen (MRO2) compared to hemoglobin + myoglobin (Hb+Mb) based parameters after the onset of loads in males. Additionally, larger percent changes in BFi, and MRO2 were observed compared to Hb+Mb parameters in both males and females. There were also sex differences in baseline values of oxygenated Hb+Mb, total Hb+Mb, and tissue saturation. Conclusion: The dynamic characteristics of Hb+Mb concentration and blood flow were distinct during loading of the SCM, suggesting that the combination of FD-NIRS and DCS may provide a more complete picture of inspiratory muscle dynamics.

This study introduces a novel approach, frequency-domain near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy (FD-NIRS & DCS), for noninvasive continuous monitoring of respiratory muscle blood flow and metabolic rate of oxygen consumption. Unlike prior methods involving invasive dye injection and magnetic resonance imaging, FD-NIRS & DCS offers the advantage of continuous measurement without the need for invasive procedures. It holds promise for advancing muscle physiology understanding and opens avenues for real-time monitoring of respiratory muscles.