Abstract

 Mechanical compliance is emerging as an important environmental cue that can influence certain cell behaviors, such as morphology and motility. Recent in vitro studies have shown that cells preferentially migrate from less stiff to more stiff substrates; however, much of this phenomenon, termed durotaxis, remains ill-defined. To address this problem, we studied the morphology and motility of vascular smooth muscle cells on well-defined stiffness gradients. Baselines for cell spreading, polarization, and random motility on uniform gels with moduli ranging from 5 to 80 kPa were found to increase with increasing stiffness. Subsequent analysis of the behavior of vascular smooth muscle cells on gradient substrata (0–4 kPa/100 μm, with absolute moduli of 1–80 kPa) demonstrated that the morphology on gradient gels correlated with the absolute modulus. In contrast, durotaxis (evaluated quantitatively as the tactic index for a biased persistent random walk) and cell orientation with respect to the gradient both increased with increasing magnitude of gradient, but were independent of the absolute modulus. These observations provide a foundation for establishing quantitative relationships between gradients in substrate stiffness and cell response. Moreover, these results reveal common features of phenomenological cell response to chemotactic and durotactic gradients, motivating further mechanistic studies of how cells integrate and respond to multiple complex signals.

Abstract The endocrine system dynamically controls tissue differentiation and homeostasis, but has not been studied using dynamic tissue culture paradigms. Here we show that a microfluidic system supports murine ovarian follicles to produce the human 28-day menstrual cycle hormone profile, which controls human female reproductive tract and peripheral tissue dynamics in single, dual and multiple unit microfluidic platforms (Solo-MFP, Duet-MFP and Quintet-MPF, respectively). These systems simulate the in vivo female reproductive tract and the endocrine loops between organ modules for the ovary, fallopian tube, uterus, cervix and liver, with a sustained circulating flow between all tissues. The reproductive tract tissues and peripheral organs integrated into a microfluidic platform, termed EVATAR, represents a powerful new in vitro tool that allows organ–organ integration of hormonal signalling as a phenocopy of menstrual cycle and pregnancy-like endocrine loops and has great potential to be used in drug discovery and toxicology studies.

Abstract Influenza and other respiratory viruses represent a significant threat to public health, national security, and the world economy, and can lead to the emergence of global pandemics such as the current COVID-19 crisis. One of the greatest barriers to the development of effective therapeutic agents to treat influenza, coronaviruses, and many other infections of the respiratory tract is the absence of a robust preclinical model. Preclinical studies currently rely on high-throughput, low-fidelity in vitro screening with cell lines and/or low-throughput animal models that often provide a poor correlation to human clinical responses. Here, we introduce a human primary airway epithelial cell-based model integrated into a high-throughput platform where tissues are cultured at an air-liquid interface (PREDICT96-ALI). We present results on the application of this platform to influenza and coronavirus infections, providing multiple readouts capable of evaluating viral infection kinetics and potentially the efficacy of therapeutic agents in an in vitro system. Several strains of influenza A virus are shown to successfully infect the human primary cell-based airway tissue cultured at an air-liquid interface (ALI), and as a proof-of-concept, the effect of the antiviral oseltamivir on one strain of Influenza A is evaluated. Human coronaviruses NL63 (HCoV-NL63) and SARS-CoV-2 enter host cells via ACE2 and utilize the protease TMPRSS2 for protein priming, and we confirm expression of both in our ALI model. We also demonstrate coronavirus infection in this system with HCoV-NL63, observing sufficient viral propagation over 96 hours post-infection to indicate successful infection of the primary cell-based model. This new capability has the potential to address a gap in the rapid assessment of therapeutic efficacy of various small molecules and antiviral agents against influenza and other respiratory viruses including coronaviruses.