Formation and Dynamics of Living Capillary Bridges

Abstract

Based on its physical properties, living soft tissue is categorized as a biological viscoelastic material that can restore its original shape after short-time deformations and flow similarly to liquids over long timescales. The dynamics of non-living materials, such as the viscous spreading of liquids, have been used to describe the viscous and elastic responses found in soft tissue.

Cellular aggregates, spherical clusters of living cells, have been used in studying the viscous spreading of cells on substrates. The spreading of cells on a substrate depends on the adhesion energies between the cells and the substrate, similar to the interfacial energies of the liquid and substrate in the case of spreading liquids. However, thus far the spreading of cellular aggregates has been studied only a single substrate at a time. Real tissues are in more complex environments and interact with more than one interface.

In this thesis, we show the spontaneous formation of a living capillary bridge for the first time using cellular aggregates composed of epithelial cells. First, we describe the experimental setup for the controlled confinement and observation of the confined cellular aggregates using a custom incubation chamber and a customized rheomicroscope setup. Then, we show that the formation of living capillary bridges is divided into three distinct phases and results in a quasi-stable state with a form resembling liquid capillary bridges. We compare our observations to previous research on the spreading of cellular aggregates on single substrates and show that the new bridge geometry does not affect the spreading rate of the cell layer. However, the spreading in the confined geometry requires an alternative definition for the contact radius of the quasi-stable living capillary bridge that increases as a function of time. We also discuss the transition from the initial elastic response of the confined aggregate to the viscous response resulting in the formation of the concave living capillary bridge.

These findings elucidate the dynamic behaviour of soft tissues and expand the analogies that can be found between inert and living matter. By studying the long-timescale viscous responses of soft tissue in a new confined geometry, more understanding can be gained of the importance of the geometry and applied load of the microenvironment on cells and tissues.

Fyysisten ominaisuuksiensa perusteella elävä pehmytkudos luokitellaan biologiseksi viskoelastiseksi materiaaliksi joka voi deformoitua ja palautua alkuperäiseen muotoonsa lyhyillä aikaväleillä sekä virrata nesteiden tapaan pitkillä aikaväleillä. Elottomien materiaalien tunnettuja dynamiikoita, kuten nesteiden viskoosista leviämistä, on käytetty pehmytkudoksen viskoosisten ja elastisten ominaisuuksien kuvaamiseen.

Soluaggregaatteja, eläviä solujen pallomaisia klustereita, on käytetty solujen viskoosisen leviämisen tutkimiseen. Solujen leviäminen pinnoille riippuu solujen ja pinnan välisistä adheesioenergioista, mitä voi verrata nesteiden ja pintojen pintaenergiavuorovaikutuksiin nesteiden leviämisen tapauksessa. Kuitenkin tähän asti soluaggregaattien leviämistä on tutkittu vain siten, että aggregaatti leviää vain yhdelle pinnalle. Oikeat kudokset ovat monimutkaisemmissa ympäristöissä ja vuorovaikuttavat useamman pinnan kanssa yhtäaikaisesti.

Tässä diplomityössä esitetään ensimmäistä kertaa elävän kapillaarisillan muodostuminen käyttäen epiteelikudoksesta koostuvia soluaggregaatteja. Ensin kuvaillaan soluaggregaattien kontrolloituun rajoittamiseen ja havainnointiin räätälöityä inkubaatiokammiota ja reomikroskooppijärjestelmää. Sen jälkeen osoitetaan, että elävien kapillaarisiltojen muodostuminen jakautuu kolmeen erilliseen vaiheeseen ja johtaa näennäisen stabiiliin tilaan, jonka muoto muistuttaa nestemäisiä kapillaarisiltoja. Vertaamme havaintojamme aiempiin tutkimuksiin soluryhmien levittymisestä yksittäisille alustoille ja osoitamme, että uusi sillan geometria ei vaikuta solukerroksen levittymisnopeuteen. Kuitenkin rajoitetussa geometriassa leviäminen vaatii uudenlaisen määritelmän näennäisen stabiilin elävän kapillaarisillan ajan funktiona kasvavalle kontaktisäteelle. Käsittelemme myös siirtymisestä rajoitetun aggregaatin alkuperäisestä elastisuudesta viskoosiseen vasteeseen, joka johtaa koveran elävän kapillaarisillan muodostumiseen.

Nämä havainnot tuovat uutta ymmärrystä pehmytkudoksen dynaamiseen käyttäytymiseen ja laajentavat elottoman ja elävän aineen välisten analogioiden ymmärrystä. Tutkimalla pehmytkudoksen pitkän aikavälin viskoosisia ominaisuuksia uudessa rajoitetussa geometriassa voidaan saada lisää tietoa mikroympäristön merkityksestä soluille ja kudoksille.