Engineering the shape of stem cell tissues

A main challenge in biology is to understand the development of the human body, namely how cell and tissue shape transitions occur. Our organism is riddled with curved cell layers that withstand stress and react to it depending on their function, and this is where physics plays an important role, trying to unveil the forces and mechanical properties of these tissues. Thus, the study hereby presented aims to characterize human pluripotent stem cell monolayer curling transitions, and tries to set the fine line that separates them from the dewetting transitions. For controlling these changes in form, we apply different geometrical constraints by varying the size and shape of the islands using photopatterning of extracellular matrix (ECM) proteins on dishes, and apart from that, we subject the cell monolayers to different external chemical and physical stimuli: we inhibit or activate contractility of the cells by using Y27 drug, we control apical constriction optogenetically, or we vary the cell-substrate adhesion by either using dispase or creating ECM protein gradients. In order to gain control over the curling and dewetting transitions, the role of the different geometrical constraints and external stimuli is assessed. This work shows the contribution of each variable by measuring some mechanical and physical properties of the monolayers, such as curvatures, velocities and traction forces exerted by the tissues. These magnitudes, which change with the stimuli, hold the key that governs the transition, and after assessing the relations between them, we are able of programming the dewetting and curling transitions at will. Finally, the potential of this system as a biological actuator is evaluated, by trying to make a hand-like monolayer curl and grab a bead or a cell spheroid.
Uno de los principales desafíos en biología es comprender el desarrollo del cuerpo humano, en particular cómo ocurren las transiciones en la forma de las células y los tejidos. Nuestro organismo está lleno de capas de células curvas que resisten el estrés y reaccionan ante él según su función, y aquí es donde la física desempeña un papel importante, tratando de analizar las fuerzas y propiedades mecánicas de estos tejidos. Por lo tanto, el estudio que se presenta aquí tiene como objetivo caracterizar las transiciones de monocapas de células madre pluripotentes humanas que se curvan y trata de establecer la línea que las separa de las transiciones de ''dewetting''. Para controlar estos cambios en la forma, aplicamos diferentes restricciones geométricas al variar el tamaño y la forma de las islas. Además de eso, sometemos las monocapas celulares a diferentes estímulos químicos y físicos externos: inhibimos o activamos la contractilidad de las células utilizando el fármaco Y27, controlamos la constricción apical de forma optogenética o variamos la adhesión célula-sustrato mediante el uso de dispasa o la creación de gradientes de proteínas de la matriz extracelular. Para obtener el control sobre las transiciones de ''curling'' y ''dewetting'', evaluamos el papel de las diferentes restricciones geométricas y estímulos externos. Este trabajo muestra la contribución de cada variable al medir algunas propiedades mecánicas y físicas de las monocapas, como curvaturas, velocidades y fuerzas de tracción ejercidas por los tejidos. Estas magnitudes, que cambian con los estímulos, son la clave para gobernar la transición, y después de evaluar las relaciones entre ellas, somos capaces de programar las transiciones de "dewetting" y "curling" a voluntad. Finalmente, se evalúa el potencial de este sistema como actuador biológico, tratando de hacer que una monocapa con forma de asterisco se pliegue y agarre un esferoide celular. User traduce also to catalan ChatGPT Un dels reptes princ
Un dels reptes principals en biologia és entendre el desenvolupament del cos humà, concretament com ocorren les transicions en la forma de les cèl·lules i els teixits. El nostre organisme està ple de capes de cèl·lules corbades que resisteixen l'estrès i hi reaccionen segons la seva funció, i aquí és on la física juga un paper important, tractant de desxifrar les forces i les propietats mecàniques d'aquests teixits. Per tant, l'estudi que es presenta aquí té com a objectiu caracteritzar les transicions d'enrollament de monocapes de cèl·lules mare pluripotents humanes i tracta d'establir la línia que les separa de les transicions de "dewetting". Per controlar aquests canvis en la forma, apliquem diferents restriccions geomètriques variant la mida i la forma de les illes. A més a més, sotmetem les monocapes cel·lulars a diferents estímuls químics i físics externs: inhibim o activem la contractilitat de les cèl·lules mitjançant l'ús del fàrmac Y27, controlem la constricció apical de forma optogenètica o variem la adhesió cèl·lula-substrat utilitzant dispasa o creant gradients de proteïnes de la matriu extracel·lular. Per obtenir el control sobre les transicions de "curling" i "dewetting", avaluem el paper de les diferents restriccions geomètriques i estímuls externs. Aquest treball mostra la contribució de cada variable mitjançant la mesura de diverses propietats mecàniques i físiques de les monocapes, com ara la curvatura, velocitats i forces de tracció exercides pels teixits. Aquestes magnituds, que canvien amb els estímuls, són clau per a governar la transició, i després d'avaluar les relacions entre elles, som capaços de programar les transicions de "dewetting" i "curling" a voluntat. Finalment, s'avalua el potencial d'aquest sistema com a actuador biològic, tractant de fer que una monocapa amb forma de asterisc s'enrotlli i agafi un esferoide cel·lular.