Alternative models of cell mechanics depict the living cell as a simple mechanical continuum, porous filament gel, tensed cortical membrane, or tensegrity network that maintains a stabilizing prestress through incorporation of discrete structural elements that bear compression. Real-time microscopic analysis of cells containing GFP-labeled microtubules and associated mitochondria revealed that living cells behave like discrete structures composed of an interconnected network of actin microfilaments and microtubules when mechanical stresses are applied to cell surface integrin receptors. Quantitation of cell tractional forces and cellular prestress by using traction force microscopy confirmed that microtubules bear compression and are responsible for a significant portion of the cytoskeletal prestress that determines cell shape stability under conditions in which myosin light chain phosphorylation and intracellular calcium remained unchanged. Quantitative measurements of both static and dynamic mechanical behaviors in cells also were consistent with specific a priori predictions of the tensegrity model. These findings suggest that tensegrity represents a unified model of cell mechanics that may help to explain how mechanical behaviors emerge through collective interactions among different cytoskeletal filaments and extracellular adhesions in living cells.

Localized perturbation of processes that take place inside the living cell depends on molecular and spatial discrimination on a micrometre scale. Here we report the use of multiple laminar streams in a microfluidic channel to deliver membrane-permeable molecules to selected subcellular microdomains. This technique opens up avenues for non-invasively visualizing, probing and manipulating the cellular metabolic and structural machinery.

Transient receptor potential channels have recently been implicated in physiological functions in a urogenital system. In this study, we investigated the role of transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) channels in a stretch sensing mechanism in mouse primary urothelial cell cultures. The selective TRPV4 agonist, 4alpha-phorbol 12,13-didecanoate (4alpha-PDD) evoked Ca(2+) influx in wild-type (WT) urothelial cells, but not in TRPV4-deficient (TRPV4KO) cells. We established a cell-stretch system to investigate stretch-evoked changes in intracellular Ca(2+) concentration and ATP release. Stretch stimulation evoked intracellular Ca(2+) increases in a stretch speed- and distance-dependent manner in WT and TRPV4KO cells. In TRPV4KO urothelial cells, however, the intracellular Ca(2+) increase in response to stretch stimulation was significantly attenuated compared with that in WT cells. Stretch-evoked Ca(2+) increases in WT urothelium were partially reduced in the presence of ruthenium red, a broad TRP channel blocker, whereas that in TRPV4KO cells did not show such reduction. Potent ATP release occurred following stretch stimulation or 4alpha-PDD administration in WT urothelial cells, which was dramatically suppressed in TRPV4KO cells. Stretch-dependent ATP release was almost completely eliminated in the presence of ruthenium red or in the absence of extracellular Ca(2+). These results suggest that TRPV4 senses distension of the bladder urothelium, which is converted to an ATP signal in the micturition reflex pathway during urine storage.

In recent years, research on organ-on-a-chip technology has been flourishing, particularly for drug screening and disease model development. Fibroblasts and vascular endothelial cells engage in crosstalk through paracrine signaling and direct cell-cell contact, which is essential for the normal development and function of the heart. Therefore, to faithfully recapitulate cardiac function, it is imperative to incorporate fibroblasts and vascular endothelial cells into a heart-on-a-chip model. Here, we report the development of a human heart-on-a-chip composed of induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocytes, fibroblasts, and vascular endothelial cells. Vascular endothelial cells cultured on microfluidic channels responded to the flow of culture medium mimicking blood flow by orienting themselves parallel to the flow direction, akin to in vivo vascular alignment in response to blood flow. Furthermore, the flow of culture medium promoted integrity among vascular endothelial cells, as evidenced by CD31 staining and lower apparent permeability. The tri-culture condition of iPSC-derived cardiomyocytes, fibroblasts, and vascular endothelial cells resulted in higher expression of the ventricular cardiomyocyte marker IRX4 and increased contractility compared to the bi-culture condition with iPSC-derived cardiomyocytes and fibroblasts alone. Such tri-culture-derived cardiac tissues exhibited cardiac responses similar to in vivo hearts, including an increase in heart rate upon noradrenaline administration. In summary, we have achieved the development of a heart-on-a-chip composed of cardiomyocytes, fibroblasts, and vascular endothelial cells that mimics in vivo cardiac behavior.

Abstract Gravity affects the function and maintenance of organs, such as bones, muscles, and the heart. Several studies have used DNA microarrays to identify genes with altered expressions in response to gravity. However, it is technically challenging to combine the results from various microarray datasets because of their different data structures. We hypothesized it is possible to identify common changes in gene expression from the DNA microarray datasets obtained under various conditions and methods. In this study, we grouped homologous genes to perform a meta-analysis of multiple vascular endothelial cell and skeletal muscle datasets. According to the t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE) analysis, the changes in the gene expression pattern in vascular endothelial cells formed specific clusters. We also identified candidate genes in endothelial cells that responded to gravity. Further, we exposed human umbilical vein endothelial cells to simulated microgravity using a clinostat and measured the expression levels of the candidate genes. Gene expression analysis using qRT-PCR revealed that the expression level of the prostaglandin transporter gene SLCO2A1 decreased in response to microgravity, consistent with the meta-analysis of microarray datasets. Furthermore, the direction of gravity affected the expression level of SLCO2A1 , buttressing the finding that its expression was affected by gravity. These results suggest that a meta-analysis of DNA microarray datasets may help identify new target genes previously overlooked in individual microarray analyses.

Mast cells are key effector cells that elicit immunoglobulin E (IgE)-mediated allergic inflammations. Allergen cross-linking of IgE bound to the high-affinity IgE receptor, FcεRI, on mast cells triggers signaling cascades that activate signal proteins and evoke extracellular Ca

Abstract In recent years, research on organ-on-a-chip technology has been flourishing, particularly for drug screening and disease model development. Fibroblasts and vascular endothelial cells engage in crosstalk through paracrine signaling and direct cell-cell contact, which is essential for the normal development and function of the heart. Therefore, to faithfully recapitulate cardiac function, it is imperative to incorporate fibroblasts and vascular endothelial cells into a heart-on-a-chip model. Here, we report the development of a human heart-on-a-chip composed of induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocytes, fibroblasts, and vascular endothelial cells. Vascular endothelial cells cultured on microfluidic channels responded to the flow of culture medium mimicking blood flow by orienting themselves parallel to the flow direction, akin to in vivo vascular alignment in response to blood flow. Furthermore, the flow of culture medium promoted stronger junction formation between vascular endothelial cells, as evidenced by CD31 staining and lower apparent permeability. The triculture condition of iPSC-derived cardiomyocytes, fibroblasts, and vascular endothelial cells resulted in higher expression of the ventricular cardiomyocyte marker IRX4 and increased contractility compared to the biculture condition with iPSC-derived cardiomyocytes and fibroblasts alone. Such triculture-derived cardiac tissues exhibited cardiac responses similar to in vivo hearts, including an increase in heart rate upon noradrenaline administration. In summary, we have achieved the development of a heart-on-a-chip composed of cardiomyocytes, fibroblasts, and vascular endothelial cells that mimics in vivo cardiac behavior.

Abstract In the realm of regenerative medicine, despite the various techniques available for inducing the differentiation of induced pluripotent stem (iPS) cells into cardiomyocytes, there remains a need to enhance the efficiency of this induction process. This study aimed to improve the differentiation efficiency of iPS-derived cardiomyocytes (iPS-CMs) by incorporating mechanical stretching. Human iPS cells were co-cultured with human gingival fibroblasts (HGF) on a polydimethylsiloxane (PDMS) stretch chamber, where mechanical stretching stimulation was applied during the induction of cardiomyocyte differentiation. The maturation of iPS-CMs was assessed using qRT-PCR, immunofluorescence staining, transmission electron microscopy, and contractility comparisons. Results indicated significantly elevated gene expression levels of cardiomyocyte markers (cTnT) and the mesodermal marker (Nkx2.5) in the stretch group compared to the control group. Fluorescent immunocytochemical staining revealed the presence of cardiac marker proteins (cTnT and HCN4) in both groups, with higher protein expression in the stretch group. Additionally, sarcomere length in the stretch group was notably larger than in the control group. A significant increase in the contractility of iPS-CMs was observed in the stretch group. These findings demonstrate that mechanical stretching stimulation enhances the maturity and differentiation efficiency of iPS-CMs co-cultured with fibroblasts.

Abstract Neurons migrate through repeated leading process extension and somal translocation, yet how they coordinate these movements remains unknown. Here, we demonstrate that leading process extension increases plasma membrane tension and triggers Ca 2+ influx via mechanosensitive ion channels, leading to actomyosin contraction for somal translocation. Thus, membrane tension transduces the change in the leading process length into a force that drives somal translocation, allowing saltatory and efficient movement of neuronal migration.