How do cells in our body go about their routine mechanical business of stretching, contracting and remodelling? This question has far-reaching implications for understanding airway narrowing in asthma, cell invasion in cancer and vessel constriction in cardiovascular disease. The answer, arrived at in a novel experimental system measuring the 'stretch' of human airway smooth muscle cells, is that the cell has much in common with familiar materials including tomato ketchup, shaving foam and toothpaste. These materials fluidize when deformed, as do granular materials including sugar in a bowl or coffee beans. Such materials act as a glass-like intermediate form of matter, neither solid nor fluid but retaining features of both. How the cell goes about its routine mechanical business of stretching, contracting, and remodelling has implications for understanding excessive airway narrowing in asthma, cell invasion in cancer and vessel constriction in vascular disease. Surprisingly, the cell is an intermediate form of matter, neither solid nor fluid but retaining features of both - that responds to stretch by fluidizing, much as do common pastes, foams, clays, and colloids. With every beat of the heart, inflation of the lung or peristalsis of the gut, cell types of diverse function are subjected to substantial stretch. Stretch is a potent stimulus for growth, differentiation, migration, remodelling and gene expression1,2. Here, we report that in response to transient stretch the cytoskeleton fluidizes in such a way as to define a universal response class. This finding implicates mechanisms mediated not only by specific signalling intermediates, as is usually assumed, but also by non-specific actions of a slowly evolving network of physical forces. These results support the idea that the cell interior is at once a crowded chemical space3 and a fragile soft material in which the effects of biochemistry, molecular crowding and physical forces are complex and inseparable, yet conspire nonetheless to yield remarkably simple phenomenological laws. These laws seem to be both universal and primitive, and thus comprise a striking intersection between the worlds of cell biology and soft matter physics.

Macrophages serve to maintain organ homeostasis in response to challenges from injury, inflammation, malignancy, particulate exposure, or infection. Until now, receptor ligation has been understood as being the central mechanism that regulates macrophage function. Using macrophages of different origins and species, we report that macrophage elasticity is a major determinant of innate macrophage function. Macrophage elasticity is modulated not only by classical biologic activators such as LPS and IFN-γ, but to an equal extent by substrate rigidity and substrate stretch. Macrophage elasticity is dependent upon actin polymerization and small rhoGTPase activation, but functional effects of elasticity are not predicted by examination of gene expression profiles alone. Taken together, these data demonstrate an unanticipated role for cell elasticity as a common pathway by which mechanical and biologic factors determine macrophage function.

Abstract Photoelectrochemical (PEC) water splitting offers a promising strategy for converting solar energy to chemical fuels. Herein, a piezoelectric‐effect–enhanced full‐spectrum photoelectrocatalysis with multilayered coaxial titanium dioxide/barium titanate/silver oxide (TiO 2 /BTO/Ag 2 O) nanorod array as the photoanode is reported. The vertically grown nanorods ensure good electron conductivity, which enables fast transport of the photogenerated electrons. Significantly, the insertion of a piezoelectric BaTiO 3 (BTO) nanolayer at the p‐type Ag 2 O and n‐type TiO 2 interface created a polar charge‐stabilized electrical field. It maintains a sustainable driving force that attract the holes of TiO 2 and the electrons of Ag 2 O, resulting in greatly increased separation and inhibited recombination of the photogenerated carriers. Furthermore, Ag 2 O as a narrow bandgap semiconductor has a high ultraviolet–visible–near infrared (UV–vis–NIR) photoelectrocatalytic activity. The TiO 2 /BTO/Ag 2 O, after poling, successfully achieves a prominent photocurrent density, as high as 1.8 mA cm −2 at 0.8 V versus Ag/Cl, which is about 2.6 times the TiO 2 nanorod photoanode. It is the first time that piezoelectric BaTiO 3 is used for tuning the interface of p‐type and n‐type photoelectrocatalyst. With the enhanced light harvesting, efficient photogenerated electron–hole pairs' separation, and rapid charge transfer at the photoanode, an excellent photoelectrocatalytic activity is realized.

Solid frustrated-Lewis-pair catalysts, based on Zn-Al composite oxide modified loaded with Au (Aux/ZnAl-CHT), were prepared by calcination of hydrotalcite precursors and tested for the direct synthesis of glycerol carbonate using CO2 as the carbon source. An Au5/ZnAl-CHT catalyst shows the highest catalytic performance with the glycerol carbonate yield of 19.5% and the selectivity of 50.5% at 170 °C and 4.0 MPa CO2, while maintaining good thermal stability and excellent regeneration ability. A series of characterization results and density functional theory (DFT) calculations indicated the introduction of Au leads to more frustrated-Lewis-pairs in Zn-Al composite oxide (ZnAl-CHT), which improve the adsorption and activation of CO2. Meanwhile, FTIR analysis indicates that glycerol is activated by Zn2+ for the formation of zinc glycerolate intermediates. The above dual synergistic activation processes effectively enhance the catalytic performance. And the reaction pathway is proposed for the synthesis of glycerol carbonate from CO2 and glycerol.

Uncontrolled growth in solid tumor generates compressive stress that drives cancer cells into invasive phenotypes, but little is known about how such stress affects the invasion and matrix degradation of cancer cells and the underlying mechanisms. Here we show that compressive stress enhanced invasion, matrix degradation, and invadopodia formation of breast cancer cells. We further identified Piezo1 channels as the putative mechanosensitive cellular components that transmit the compression to induce calcium influx, which in turn triggers activation of RhoA, Src, FAK, and ERK signaling, as well as MMP-9 expression. Interestingly, for the first time we observed invadopodia with matrix degradation ability on the apical side of the cells, similar to those commonly observed at the cell's ventral side. Furthermore, we demonstrate that Piezo1 and caveolae were both involved in mediating the compressive stress-induced cancer cell invasive phenotype as Piezo1 and caveolae were often colocalized, and reduction of Cav-1 expression or disruption of caveolae with methyl-beta-cyclodextrin led to not only reduced Piezo1 expression but also attenuation of the invasive phenotypes promoted by compressive stress. Taken together, our data indicate that mechanical compressive stress activates Piezo1 channels to mediate enhanced cancer cell invasion and matrix degradation that may be a critical mechanotransduction pathway during, and potentially a novel therapeutic target for, breast cancer metastasis.

Abstract Cell-cell mechanical communications at large spatial scale (above hundreds of micrometers) have been increasingly recognized in recent decade, which shows importance in tissue-level assembly and morphodynamics. The involved mechanosensing mechanism and resulted physiological functions are still to be fully understood. Recent work showed that traction force sensation in the matrix induces cell communications for self-assembly. Here, based on the experimental model of cell directional migration on Matrigel hydrogel containing 0.5 mg/ml type I collagen, we studied the mechano-responsive pathways for cell distant communications. Airway smooth muscle (ASM) cells assembled network structure on the hydrogel, whereas stayed isolated individually when cultured on glass without force transmission. Cell directional migration, or network assembly was significantly attenuated by inhibited actomyosin activity, or inhibition of inositol 1,4,5-trisphosphate receptor (IP 3 R) calcium channel or SERCA pump on endoplasmic reticulum (ER) membrane, or L-type calcium channel on the plasma membrane. Inhibition of integrin β1 with siRNA knockdown reduced cell directional migration and branching assembly, whereas inhibition of cell junctional N-cadherin with siRNA had little effect on distant attractions but blocked branching assembly. Our work demonstrated that the ER calcium channels and integrin are mechanosensing signals for cell mechanical communications regulated by actomyosin activity, while N-cadherin is responsible for traction force-induced cell stable connections in the assembly.

Abstract Human brain experiences vibration of certain frequency during various physical activities such as vehicle transportation and machine operation or accidents, which may cause traumatic brain injury or other brain diseases. However, little is known about what happened to brain after vibration stimuli. Here, with a custom-built electromagnetic actuator, vibration was induced in the brain while cerebral blood flow (CBF) and brain stiffness were measured at 20, 30, 40 Hz for 52 healthy volunteers. With increasing frequency, multiple regions of the brain showed increasingly reduced CBF, while the size of such regions also expanded. The vibration-induced CBF reduction regions largely fell inside the brain’s default mode network (DMN), with about 58 or 46 % overlap at 30 or 40 Hz, respectively. By establishing a biomechanical co-variance network based on tissue stiffness, analysis of small-world properties and modularity showed an increased disruption of the network with increased frequency. These findings demonstrate frequency-dependent features of vibration modulation to brain. Furthermore, the overlap between CBF reduction regions and DMN, and the vibration-induced decrease of biomechanical network connections suggest a interweaved relationship between blood flow, tissue stiffness, and cognitive functions. These may provide critical insights into the mechanical stimulus to brain and vibration-induced brain pathologies.

Abstract Tissues are often isotropic and heterogeneous organizations, which developmental processes are coordinated by cells and extracellular matrix modeling. Cells have the capability of modeling matrix in distance, however, the biophysical mechanism is largely unknown. We investigated underlying mechanism of large collagen I (COL) fibrillary modeling by cell mechanics with designed arrays of cell clusters. By incorporating dynamic contractions, Molecular Dynamics simulations yielded highly matching isotropic outcomes with observed COL clustering in experiments from variable geometrical arrays without spatial limitation. Further designed single polygons from triangles to hexagons resulted in predicted structural assembly which showed maintained spatial balance. Cell cytoskeletal integrity (actin filaments, microtubules), actomyosin contractions, and endoplasmic reticulum calcium channels were essential for remote fiber inductions, while membrane mechanosensitive integrin and Piezo showed coordinative role in regulating the fiber assembly. The study provides new insights on cell mechanics-induced isotropic matrix modeling with dynamic large-spatial scales and the associated cellular mechanism. The assembled biomechanical scaffolds with pre-designs may lead to applications in micro-tissue engineering. This work implicates heterogeneous tissue structures maybe partially derived from isotropic cell mechanics.