Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia

(English) Development requires a combination of three phenomena: increasing the number of cells, specifying their fates and undergoing morphogenesis, which means acquiring the correct shapes. Apical constriction is an important driving mechanism of morphogenesis, occurring within a cell but bridging...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Bosch Padrós, Miquel|||0000-0001-8093-4097
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2026
País:España
Institución:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Repositorio:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:upcommons.upc.edu:2117/457066
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/2117/457066
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457066
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:mechanobiology
pluripotent stem cells
morphogenesis
epithelial tissue
optogenetics
ptogenetics
apical constriction
stem cells
epithelial jamming
traction force microscopy
51 - Matemàtiques
576 - Biologia cel·lular i subcel·lular. Citologia
Àrees temàtiques de la UPC::Matemàtiques i estadística
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica
id ES_06017cc28b43938bb1af3ff0235fe42e
oai_identifier_str oai:upcommons.upc.edu:2117/457066
network_acronym_str ES
network_name_str España
repository_id_str
dc.title.none.fl_str_mv Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia
title Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia
spellingShingle Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia
Bosch Padrós, Miquel|||0000-0001-8093-4097
mechanobiology
pluripotent stem cells
morphogenesis
epithelial tissue
optogenetics
ptogenetics
apical constriction
morphogenesis
stem cells
epithelial jamming
traction force microscopy
51 - Matemàtiques
576 - Biologia cel·lular i subcel·lular. Citologia
Àrees temàtiques de la UPC::Matemàtiques i estadística
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica
title_short Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia
title_full Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia
title_fullStr Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia
title_full_unstemmed Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia
title_sort Optogenetic control of force transmission in pluripotent epithelia
dc.creator.none.fl_str_mv Bosch Padrós, Miquel|||0000-0001-8093-4097
author Bosch Padrós, Miquel|||0000-0001-8093-4097
author_facet Bosch Padrós, Miquel|||0000-0001-8093-4097
author_role author
dc.subject.none.fl_str_mv mechanobiology
pluripotent stem cells
morphogenesis
epithelial tissue
optogenetics
ptogenetics
apical constriction
morphogenesis
stem cells
epithelial jamming
traction force microscopy
51 - Matemàtiques
576 - Biologia cel·lular i subcel·lular. Citologia
Àrees temàtiques de la UPC::Matemàtiques i estadística
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica
topic mechanobiology
pluripotent stem cells
morphogenesis
epithelial tissue
optogenetics
ptogenetics
apical constriction
morphogenesis
stem cells
epithelial jamming
traction force microscopy
51 - Matemàtiques
576 - Biologia cel·lular i subcel·lular. Citologia
Àrees temàtiques de la UPC::Matemàtiques i estadística
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica
description (English) Development requires a combination of three phenomena: increasing the number of cells, specifying their fates and undergoing morphogenesis, which means acquiring the correct shapes. Apical constriction is an important driving mechanism of morphogenesis, occurring within a cell but bridging with tissular scale to acquire and maintain shape. Apical constriction is well studied at the cellular level and conserved through the animal kingdom, but the forces that need to be generated and transmitted through the tissue in the process have never been measured and described. To fill this gap, we used a novel optogenetic tool to induce apical constriction in human pluripotent stem cells, combined with traction force microscopy to measure the mechanical forces involved in the process. With this techniques, we discovered that constriction creates a consistent but small signature in traction maps, compatible with apical contractility increase and volume conservation. In addition, we subjected regions of a monolayer to apical constriction and revealed that the cellular displacement field obeys a screened Poisson equation in two dimensions, which implies the existence of a lengthscale with a rheological origin and allows to obtain the Green's function of the tissue. While deformations can be tailored in space and time, we also find that jamming transitions cannot be engineered through apical contractility, which exposes a strong unjammed nature of this pluripotent epithelium. These insights reveal key rheological aspects of human pluripotent stem cells at timescales relevant for morphogenesis, inaccessible through other techniques. Because this cells are used around the globe to derive organoids and embryo models but are highly understudied mechanically, this work establishes a key building block for future works that require shape or force control in stem cell-derived tissues.
publishDate 2026
dc.date.none.fl_str_mv 2026
2026-01-27
2026
2026-03-09
dc.type.none.fl_str_mv doctoral thesis
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
VoR
http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85
dc.type.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
dc.identifier.none.fl_str_mv https://hdl.handle.net/2117/457066
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457066
url https://hdl.handle.net/2117/457066
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457066
dc.language.none.fl_str_mv Inglés
eng
language_invalid_str_mv Inglés
language eng
dc.rights.none.fl_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.rights.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
dc.source.none.fl_str_mv reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
instname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
instname_str Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
reponame_str UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
collection UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
repository.name.fl_str_mv
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1869402890763763712
spelling Optogenetic control of force transmission in pluripotent epitheliaBosch Padrós, Miquel|||0000-0001-8093-4097mechanobiologypluripotent stem cellsmorphogenesisepithelial tissueoptogeneticsptogeneticsapical constrictionmorphogenesisstem cellsepithelial jammingtraction force microscopy51 - Matemàtiques576 - Biologia cel·lular i subcel·lular. CitologiaÀrees temàtiques de la UPC::Matemàtiques i estadísticaÀrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica(English) Development requires a combination of three phenomena: increasing the number of cells, specifying their fates and undergoing morphogenesis, which means acquiring the correct shapes. Apical constriction is an important driving mechanism of morphogenesis, occurring within a cell but bridging with tissular scale to acquire and maintain shape. Apical constriction is well studied at the cellular level and conserved through the animal kingdom, but the forces that need to be generated and transmitted through the tissue in the process have never been measured and described. To fill this gap, we used a novel optogenetic tool to induce apical constriction in human pluripotent stem cells, combined with traction force microscopy to measure the mechanical forces involved in the process. With this techniques, we discovered that constriction creates a consistent but small signature in traction maps, compatible with apical contractility increase and volume conservation. In addition, we subjected regions of a monolayer to apical constriction and revealed that the cellular displacement field obeys a screened Poisson equation in two dimensions, which implies the existence of a lengthscale with a rheological origin and allows to obtain the Green's function of the tissue. While deformations can be tailored in space and time, we also find that jamming transitions cannot be engineered through apical contractility, which exposes a strong unjammed nature of this pluripotent epithelium. These insights reveal key rheological aspects of human pluripotent stem cells at timescales relevant for morphogenesis, inaccessible through other techniques. Because this cells are used around the globe to derive organoids and embryo models but are highly understudied mechanically, this work establishes a key building block for future works that require shape or force control in stem cell-derived tissues.(Català) El desenvolupament necessita una combinació de tres fenòmens: augmentar el nombre de cèl·lules, determinar-ne la identitat i realitzar la morfogènesi, que significa adoptar la forma correcta. La constricció apical és un mecanisme principal per dur a terme aquesta morfogènesi, succeint a escala cel·lular però provocant canvis de forma a nivell tissular. Tot i que la constricció apical està ben estudiada pel que fa a la cèl·lula i és un mecanisme molt conservat en el regne animal, mai s'han descrit ni mesurat les forces generades ni transmeses per a realitzar-la. Per omplir aquest buit, hem emprat una eina optogenètica nova per a provocar constricció apical en cèl·lules mare humanes pluripotents, i ho hem combinat amb microscòpia de forces de tracció per tal de mesurar les forces mecàniques involucrades en el procés. Amb aquesta combinació hem descobert que aquesta constricció crea una petjada petita però consistent en el mapa de traccions, compatible amb un increment de contractilitat apical i conservació del volum cel·lular. Estimulant regions finites de la monocapa hem descobert que el camp de desplaçament cel·lular obeeix una equació de Poisson amb apantallament en dues dimensions, cosa que implica l'existència d'una escala de longitud amb un origen reològic i permet obtenir la funció de Green del teixit. Tot i que les deformacions es poden controlar en l'espai i el temps amb un alt nivell de detall, trobem que la contractilitat apical no pot provocar transicions en l'estat d'embussament d'aquest epiteli pluripotent. Aquests fets revelen aspectes importants de la reologia d'aquestes cèl·lules en escales temporals rellevants per a la morfogènesi, inaccessibles emprant altres mètodes. Ja que aquestes cèl·lules s'utilitzen arreu del món per a generar organoides i embrioides, i també degut al poc coneixement mecànic sobre elles, aquesta tesi estableix un fonament important per a futurs treballs que requereixin control de forces o formes en teixits derivats de cèl·lules mare.(Español) El desarrollo requiere una combinación de tres fenómenos: aumentar el número de células, determinar su identidad y realizar la morfogénesis, que significa adoptar la forma correcta. La constricción apical es un mecanismo principal para generar esta morfogénesis, sucediendo a escala celular pero provocando cambios de forma a nivel tisular. Aunque la constricción apical está bien caracterizada para una célula y es un mecanismo muy conservado en el reino animal, las fuerzas generadas y tansmitidas durante ella nunca han sido medidas. Para realizar estas medidas hemos utilizado una herramienta optogenética nueva para provocar constricción apical en células madre humanas pluripotentes, y la hemos combinado con microscopía de fuerzas de tracción para calcular las fuerzas mecánicas involucradas en el proceso. Con esta combinación hemos descubierto que esta constrición crea una huella pequeña pero consistente en el mapa de tracciones, compatible con un incremento de contractilidad apical y conservación del volumen celular. Estimulando regiones finitas de la monocapa hemos descubierto que el campo de desplazamiento celular obedece una ecuación de Poisson apantallada en dos dimensiones, lo que implica la existencia de una escala de longitud con origen reológico y permite obtener la función de Green del tejido. Aunque las deformaciones se pueden controlar al detalle en el espacio y en el tiempo, encontramos que la contractilidad apical no puede provocar transiciones en el estado de embozamiento de este epitelio pluripotente. Estos hechos revelan aspectos importantes sobre la reología de estas células en escalas de tiempo relevantes para la morfogénesis, inaccessibles a través de otras técnicas. Debido a que estas células son usadas alrededor del mundo para generar organoides y embrioides, y también debido al poco conocimiento mecánico sobre ellas, esta tesis establece un fonamento importante para futuros trabajos que requieran control de fuerzas y formas en tejidos derivados de células madre.Universitat Politècnica de Catalunya20262026-01-2720262026-03-09doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/2117/457066https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457066reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPCinstname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)Inglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:upcommons.upc.edu:2117/4570662026-05-27T15:37:01Z
score 15,811543

Similares en LA Referencia