Engineered myocardial tissues can be used to elucidate fundamental features of myocardial biology, develop organotypic in vitro model systems, and as engineered tissue constructs for replacing damaged heart tissue in vivo. However, a key limitation is an inability to test the wide range of parameters (cell source, mechanical, soluble and electrical stimuli) that might impact the engineered tissue in a high-throughput manner and in an environment that mimics native heart tissue. Here we used microelectromechanical systems technology to generate arrays of cardiac microtissues (CMTs) embedded within three-dimensional micropatterned matrices. Microcantilevers simultaneously constrain CMT contraction and report forces generated by the CMTs in real time. We demonstrate the ability to routinely produce ∼200 CMTs per million cardiac cells (<1 neonatal rat heart) whose spontaneous contraction frequency, duration, and forces can be tracked. Independently varying the mechanical stiffness of the cantilevers and collagen matrix revealed that both the dynamic force of cardiac contraction as well as the basal static tension within the CMT increased with boundary or matrix rigidity. Cell alignment is, however, reduced within a stiff collagen matrix; therefore, despite producing higher force, CMTs constructed from higher density collagen have a lower cross-sectional stress than those constructed from lower density collagen. We also study the effect of electrical stimulation on cell alignment and force generation within CMTs and we show that the combination of electrical stimulation and auxotonic load strongly improves both the structure and the function of the CMTs. Finally, we demonstrate the suitability of our technique for high-throughput monitoring of drug-induced changes in spontaneous frequency or contractility in CMTs as well as high-speed imaging of calcium dynamics using fluorescent dyes. Together, these results highlight the potential for this approach to quantitatively demonstrate the impact of physical parameters on the maturation, structure, and function of cardiac tissue and open the possibility to use high-throughput, low volume screening for studies on engineered myocardium.

Cardiac tissue engineering is currently limited by the incapacity to test the wide range of parameters that might impact the engineered tissue in a high throughput and combinatorial manner. Here we used microelectromechanical systems (MEMS) technology to generate arrays of cardiac microtissues (CMTs) embedded within three-dimensional micropatterned matrices. Microcantilevers constrain CMT contraction and report generated forces. We demonstrate the ability to routinely produce ∼200 CMTs per million cardiac cells whose spontaneous contraction frequency, duration, and forces can be tracked. Independently varying the mechanical stiffness of the cantilevers and collagen matrix revealed that the CMT contractility increased with boundary or matrix rigidity. We also show that the combination of electrical stimulation and auxotonic load strongly improve both the structure and the function of the CMTs. Finally, we demonstrate the suitability of our technique for high throughput monitoring of drug-induced changes in spontaneous frequency or contractility in CMTs.

The structural and functional organization of biological tissues relies on the intricate interplay between chemical and mechanical signaling. Whereas the role of constant and transient mechanical perturbations is generally accepted, several studies recently highlighted the existence of long-range mechanical excitations (i.e., waves) at the supracellular level. Here, we confine epithelial cell mono-layers to quasi-one dimensional geometries, to force the establishment of tissue-level waves of well-defined wavelength and period. Numerical simulations based on a self-propelled Voronoi model reproduce the observed waves and exhibit a phase transition between a global and a multi-nodal wave, controlled by the confinement size. We confirm experimentally the existence of such a phase transition, and show that wavelength and period are independent of the confinement length. Together, these results demonstrate the intrinsic origin of tissue oscillations, which could provide cells with a mechanism to accurately measure distances at the supracellular level.

Abstract Adherent cells use actomyosin contractility to generate mechanical force and to sense the physical properties of their environment, with dramatic consequences for migration, division, differentiation and fate. However, the organization of the actomyosin system within cells is highly variable, with its assembly and function being controlled by small GTPases from the Rho-family. How activation of these regulators translates into cell-scale force generation and the corresponding sensing capabilities in the context of different physical environments is not understood. Here we probe this relationship combining recent advances in non-neuronal optogenetics with micropatterning and traction force microscopy on soft elastic substrates. We find that after whole-cell RhoA-activation by the CRY2/CIBN optogenetic system with a short pulse of 100 milliseconds, single cells contract before returning to their original tension setpoint with near perfect precision on a time scale of several minutes. To decouple the biochemical and mechanical elements of this response, we introduce a mathematical model that is parametrized by fits to the dynamics of the substrate deformation energy. We find that the RhoA-response builds up quickly on a time scale of 20 seconds, but decays slowly on a time scale of 50 seconds. The larger the cells and the more polarized their actin cytoskeleton, the more substrate deformation energy is generated. RhoA-activation starts to saturate if optogenetic pulse length exceeds 50 milliseconds, revealing the intrinsic limits of biochemical activation. Together our results suggest that adherent cells establish tensional homeostasis by the RhoA-system, but that the setpoint and the dynamics around it are strongly determined by cell size and the architecture of the actin cytoskeleton, which both are controlled by the extracellular environment.

Abstract Cell-generated forces play a major role in coordinating the large-scale behavior of cell assemblies, in particular during development, wound healing and cancer. Mechanical signals propagate faster than biochemical signals, but can have similar effects, especially in epithelial tissues with strong cell-cell adhesion. However, a quantitative description of the transmission chain from force generation in a sender cell, force propagation across cell-cell boundaries, and the concomitant response of receiver cells is missing. For a quantitative analysis of this important situation, here we propose a minimal model system of two epithelial cells on an H-pattern (“cell doublet”). After optogenetically activating RhoA, a major regulator of cell contractility, in the sender cell, we measure the mechanical response of the receiver cell by traction force and monolayer stress microscopies. In general, we find that the receiver cells shows an active response so that the cell doublet forms a coherent unit. However, force propagation and response of the receiver cell also strongly depends on the mechano-structural polarization in the cell assembly, which is controlled by cell-matrix adhesion to the adhesive micropattern. We find that the response of the receiver cell is stronger when the mechano-structural polarization axis is oriented perpendicular to the direction of force propagation, reminiscent of the Poisson effect in passive materials. We finally show that the same effects are at work in small tissues. Our work demonstrates that cellular organization and active mechanical response of a tissue is key to maintain signal strength and leads to the emergence of elasticity, which means that signals are not dissipated like in a viscous system, but can propagate over large distances.

Abstract The mechanical properties of biological tissues are key to the regulation of their physical integrity and function. Although the application of external loading or biochemical treatments allows to estimate these properties globally, it remains problematic to assess how such external stimuli compare with internal, cell-generated contractions. Here we engineered 3D microtissues composed of optogenetically-modified fibroblasts encapsulated within collagen. Using light to control the activity of RhoA, a major regulator of cellular contractility, we induced local mechanical perturbation within 3D fibrous microtissues, while tracking in real time microtissue stress and strain. We thus investigated the dynamic regulation of light-induced, local contractions and their spatio-temporal propagation in microtissues. By comparing the evolution of stresses and strains upon stimulation, we demonstrated the potential of our technique for quantifying tissue elasticity and strain propagation, before examining the possibility of using light to create and map local anisotropies in mechanically heterogeneous microtissues. Altogether, our results open an avenue to guide the formation of 3D tissues while non-destructively charting their rheology of 3D tissues in real time, using their own constituting cells as internal actuators.

Cells are able to sense and react to their physical environment by translating a mechanical cue into an intracellular biochemical signal that triggers biological and mechanical responses. This process, called mechanotransduction, controls essential cellular functions such as proliferation and migration. The cellular response to an external mechanical stimulation has been investigated with various static and dynamic systems, so far limited to global deformations or to local stimulation through discrete substrates. To apply local and dynamic mechanical constraints at the single cell scale through a continuous surface, we have developed and modelled magneto-active substrates made of magnetic micro-pillars embedded in an elastomer. Constrained and unconstrained substrates are analysed to map surface stress resulting from the magnetic actuation of the micro-pillars and the adherent cells. These substrates have a rigidity in the range of cell matrices, and the magnetic micro-pillars generate local forces in the range of cellular forces, both in traction and compression. As an application, we followed the protrusive activity of cells subjected to dynamic stimulations. Our magneto-active substrates thus represent a new tool to study mechanotransduction in single cells, and complement existing techniques by exerting a local and dynamic stimulation, traction and compression, through a continuous soft substrate.