Mechanics of epithelial tissue subjected to controlled pressure

Abstract

(English) Epithelial sheets form specialized 3D structures suited to their physiological roles, such as branched alveoli in the lungs, tubes in the kidney, and villi in the intestine. To generate and maintain these structures, epithelia must undergo complex 3D deformations across length and time scales. How epithelial shape arises from active stresses, viscoelasticity, and luminal pressure remains poorly understood. To address this question, we developed a microfluidic chip and a computational framework to engineer 3D epithelial tissues with controlled shape and pressure. In the setup, an epithelial monolayer is grown on a porous surface with circular low adhesion zones. On applying hydrostatic pressure, the monolayer delaminates into a spherical cap from the circular zone. This simple shape allows us to calculate epithelial tension using Laplace's law. Through this approach, we subject the monolayer to a range of lumen pressures at different rates and hence probe the relation between strain and tension in different regimes while computationally tracking actin dynamics and their mechanical effect at the tissue scale. Slow pressure changes relative to the actin dynamics allow the tissue to accommodate large strain variations. However, under sudden pressure reductions, the tissue develops buckling patterns and folds with different degrees of symmetry-breaking to store excess tissue area. These insights allow us to pattern epithelial folds through rationally directed buckling. Our study establishes a new approach for engineering epithelial morphogenetic events.

(Català) Les làmines epitelials formen estructures 3D especialitzades adequades als seus rols fisiològics, com ara alvèols ramificats als pulmons, tubs al ronyó i vellositats a l'intestí. Per generar i mantenir aquestes estructures, els epitelis han de patir deformacions 3D complexes en longitud i temps. La manera en què la forma epitelial sorgeix de tensions actives, viscoelàsticitat i pressió luminal encara és poc entesa. Per abordar aquesta qüestió, hem desenvolupat un xip microfluídic i un marc computacional per dissenyar teixits epitelials 3D amb forma i pressió controlades. En aquest sistema, una monocapa epitelial es cultiva sobre una superfície porosa amb zones circulars de baixa adhesió. En aplicar pressió hidrostàtica, la monocapa es delamina i forma una estructura esfèrica a la zona circular. Aquesta forma simple ens permet calcular la tensió epitelial utilitzant la llei de Laplace. A través d'aquest enfocament, sotmetem la monocapa a una gamma de pressions luminals a diferents velocitats i, per tant, sondegem la relació entre deformació i tensió en diferents règims mentre seguim computacionalment la dinàmica de l'actina i el seu efecte mecànic a escala de teixit. Canvis de pressió lents en relació amb la dinàmica de l'actina permeten que el teixit acomodi grans variacions de deformació. No obstant això, sota reduccions sobtades de pressió, el teixit desenvolupa patrons de vinclament i plecs amb diferents graus de trencament de simetria per emmagatzemar l'àrea de teixit sobrant. Aquestes idees ens permeten modelar plecs epitelials a través d'uns plegaments dirigits racionalment. El nostre estudi estableix una nova estratègia per dissenyar esdeveniments morfogenètics epitelials.