Abstract Biomechanical cues from the extracellular matrix (ECM) are essential for directing many cellular processes, from normal development and repair, to disease progression. To better understand cell-matrix interactions, we have developed a new instrument named ‘OptoRheo’ that combines light sheet fluorescence microscopy with particle tracking microrheology. OptoRheo lets us image cells in 3D as they proliferate over several days while simultaneously sensing the mechanical properties of the surrounding extracellular and pericellular matrix at a sub-cellular length scale. OptoRheo can be used in two operational modalities (with and without an optical trap) to extend the dynamic range of microrheology measurements. We corroborated this by characterising the ECM surrounding live breast cancer cells in two distinct culture systems, cell clusters in 3D hydrogels and spheroids in suspension culture. This cutting-edge instrument will transform the exploration of drug transport through complex cell culture matrices and optimise the design of the next-generation of disease models.

Dysregulated macrophage function is implicated in a wide range of disorders. In vitro hydrogel culture systems are often used as matrices to model and explore the effect of various external stimuli on macrophage polarization and behaviour. Here, we show that 3D alginate hydrogels are not macrophage inert and instead help to direct the maturation of primary human macrophages towards specific phenotypes. We compared polarization of M1-like and M2-like cells activated on planar substrates or in 3D alginate hydrogels (with or without adhesion motifs (RGD)). We show that culture in 3D alginate systems selectively alters M2 polarisation following activation; cells show a 2.6-fold increase in CD86 expression compared to cells matured on planar controls, and increase IL1b; cytokine secretion even in response to an M2-like stimulus (LPS alone). Our results suggest that alginate materials may intrinsically stimulate M2 macrophages to acquire a unique polarization state (resembling M2b), characterized by enhanced expression of CD86 and IL1b; secretion while retaining low IL12 and high IL10 secretion typical for M2 macrophages. This has important implications for researchers using alginate hydrogels to study macrophage behavior in culture and co-culture systems, as alginate itself may induce direct phenotypic changes independently or in conjunction with other stimuli.