We report the results of single tracer particle tracking by optical tweezers and video microscopy in micellar solutions. From careful analysis in terms of different stochastic models, we show that the polystyrene tracer beads of size 0.52–2.5 μm after short-time normal diffusion turn over to perform anomalous diffusion of the form 〈r2(t)〉 ≃ tα with α ≈ 0.3. This free anomalous diffusion is ergodic and consistent with a description in terms of the generalized Langevin equation with a power-law memory kernel. With optical tweezers tracking, we unveil a power-law relaxation over several decades in time to the thermal plateau value under the confinement of the harmonic tweezer potential, as predicted previously (Phys. Rev. E 85 021147 (2012)). After the subdiffusive motion in the millisecond range, the motion becomes faster and turns either back to normal Brownian diffusion or to even faster superdiffusion, depending on the size of the tracer beads.

Increased tissue stiffness is a classic characteristic of solid tumors. One of the major contributing factors is increased density of collagen fibers in the extracellular matrix (ECM). Here, we investigate how cancer cells biomechanically interact with and respond to the stiffness of the ECM. Probing the adaptability of cancer cells to altered ECM stiffness using optical tweezers-based microrheology and deformability cytometry, we find that only malignant cancer cells have the ability to adjust to collagen matrices of different densities. Employing microrheology on the biologically relevant spheroid invasion assay, we can furthermore demonstrate that, even within a cluster of cells of similar origin, there are differences in the intracellular biomechanical properties dependent on the cells' invasive behavior. We reveal a consistent increase of viscosity in cancer cells leading the invasion into the collagen matrices in comparison with cancer cells following in the stalk or remaining in the center of the spheroid. We hypothesize that this differential viscoelasticity might facilitate spheroid tip invasion through a dense matrix. These findings highlight the importance of the biomechanical interplay between cells and their microenvironment for tumor progression.

Abstract Filopodia are actin-rich structures, present on the surface of practically every known eukaryotic cell. These structures play a pivotal role in specific cell-cell and cell-matrix interactions by allowing cells to explore their environment, generate mechanical forces, perform chemical signaling, or convey signals via intercellular tunneling nano-bridges. The dynamics of filopodia appear quite complex as they exhibit a rich behavior of buckling, pulling, length and shape changes. Here, we find that filopodia additionally explore their 3D extracellular space by combining growth and shrinking with axial twisting and buckling of their actin rich core. Importantly, we show the rotational dynamics of the filamentous actin inside filopodia for a range of highly distinct and cognate cell types spanning from earliest development to highly differentiated tissue cells. Non-equilibrium physical modeling of actin and myosin confirm that twist, and hence rotation, is an emergent phenomenon of active filaments confined in a narrow channel which points to a generic mechanism present in all cells. Our measurements confirm that filopodia exert traction forces and form helical buckles in a range of different cell types that can be ascribed to accumulation of sufficient twist. These results lead us to conclude that activity induced twisting of the actin shaft is a general mechanism underlying fundamental functions of filopodia.

The question of what guides lineage segregation is central to development, where cellular differentiation leads to segregated cell populations destined for specialized functions. Here, using optical tweezers measurements of mouse embryonic stem cells (mESCs), we reveal a mechanical mechanism based on differential elasticity in the second lineage segregation of the embryonic inner cell mass into epiblast (EPI) cells – that will develop into the fetus – and primitive endoderm (PrE) – which will form extraembryonic structures such as the yolk sac. Remarkably, we find that these mechanical differences already occur during priming and not just after a cell has committed to differentiation. Specifically, we show that the mESCs are highly elastic compared to any other reported cell type and that the PrE cells are significantly more elastic than EPI-primed cells. Using a model of two cell types differing only in elasticity we show that differential elasticity alone can lead to segregation between cell types, suggesting that the mechanical attributes of the cells contribute to the segregation process. Our findings present differential elasticity as a previously unknown mechanical contributor to the lineage segregation during the embryo morphogenesis.

Filopodia, widely distributed on cell surfaces, are distinguished by their dynamic extensions, playing pivotal roles in a myriad of biological processes. Their functions span from mechanosensing and guidance to cell-cell communication during cellular organization in the early embryo. Filopodia have significant roles in pathogenic processes, such as cancer invasion and viral dissemination. Molecular mapping of the filopodome has revealed generic components essential for filopodia functions. In parallel, recent insights into biophysical mechanisms governing filopodia dynamics have provided the foundation for broader investigations of filopodia's biological functions. We highlight recent discoveries of engagement of filopodia in various stages of development and pathogenesis and present an overview of intricate molecular and physical features of these cellular structures across a spectrum of cellular activities.