Atomic Force Microscopy Mechanical Mapping of Micropatterned Cells Shows Adhesion Geometry-Dependent Mechanical Response on Local and Global Scales
Source abstract
Abstract
In multicellular organisms, cell shape and organization are dictated by cell-cell or cell-extracellular matrix adhesion interactions. Adhesion complexes crosstalk with the cytoskeleton enabling cells to sense their mechanical environment. Unfortunately, most of cell biology studies, and cell mechanics studies in particular, are conducted on cultured cells adhering to a hard, homogeneous, and unconstrained substrate with nonspecific adhesion sites, thus far from physiological and reproducible conditions. Here, we grew cells on three different fibronectin patterns with identical overall dimensions but different geometries (▽, T, and Y), and investigated their topography and mechanics by atomic force microscopy (AFM). The obtained mechanical maps were reproducible for cells grown on patterns of the same geometry, revealing pattern-specific subcellular differences. We found that local Young's moduli variations are related to the cell adhesion geometry. Additionally, we detected local changes of cell mechanical properties induced by cytoskeletal drugs. We thus provide a method to quantitatively and systematically investigate cell mechanics and their variations, and present further evidence for a tight relation between cell adhesion and mechanics.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Force Microscopy Techniques and Applications · Cellular Mechanics and Interactions · Near-Field Optical Microscopy
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
U1006 INSERM, Aix-Marseille Université, Parc Scientifique et Technologique de Luminy, 163 avenue de Luminy, 13009 Marseille, France
Institut Curie, UMR 144 CNRS/IC, 26 rue d’Ulm, 75248 Cedex 05 Paris, France
Funding
Agence Nationale de la Recherche · European Research Council
References (81)
Show source-provided references
1. Wang J. H.-C. · Biomech. Model. Mechanobiol. · 2006 · 5 · 110.1007/s10237-005-0012-z ↗
2. Gumbiner B. M. · Cell · 1996 · 84 · 34510.1016/S0092-8674(00)81279-9 ↗
3. Vogel V. · Nat. Rev. Mol. Cell Biol. · 2006 · 7 · 26510.1038/nrm1890 ↗
4. Chen C. S. · Science · 1997 · 276 · 142510.1126/science.276.5317.1425 ↗
5. Engler A. J. · Cell · 2006 · 126 · 67710.1016/j.cell.2006.06.044 ↗
6. Fletcher D. A. · Nature · 2010 · 463 · 48510.1038/nature08908 ↗
7. Schwarz U. S. · J. Cell Sci. · 2012 · 125 · 3051
8. Plodinec M. · Nat. Nanotechnol. · 2012 · 7 · 75710.1038/nnano.2012.167 ↗
9. Salbreux G. · Trends Cell Biol. · 2012 · 22 · 53610.1016/j.tcb.2012.07.001 ↗
10. Martens J. C. · Pfluegers Arch. · 2008 · 456 · 9510.1007/s00424-007-0419-8 ↗
11. Kollmannsberger P. · Annu. Rev. Mater. Res. · 2011 · 41 · 7510.1146/annurev-matsci-062910-100351 ↗
12. Bausch a R. · Biophys. J. · 1998 · 75 · 203810.1016/S0006-3495(98)77646-5 ↗
13. Kollmannsberger P. · Rev. Sci. Instrum. · 2007 · 7810.1063/1.2804771 ↗
14. Tanase M. · Methods Cell Biol. · 2007 · 83 · 47310.1016/S0091-679X(07)83020-2 ↗
15. Neuman K. C. · Rev. Sci. Instrum. · 2004 · 75 · 278710.1063/1.1785844 ↗
16. Laurent V. M. · J. Biomech. Eng. · 2002 · 124 · 40810.1115/1.1485285 ↗
17. Guck J. · Biophys. J. · 2001 · 81 · 76710.1016/S0006-3495(01)75740-2 ↗
18. Chen J. · Am. J. Physiol.: Cell Physiol. · 2002 · 02115 · 606
19. Yamada S. · Biophys. J. · 2000 · 78 · 173610.1016/S0006-3495(00)76725-7 ↗
20. Tseng Y. · Biophys. J. · 2002 · 83 · 316210.1016/S0006-3495(02)75319-8 ↗
21. Jonas M. · Biophys. J. · 2008 · 95 · 89510.1529/biophysj.107.120303 ↗
22. Wirtz D. · Annu. Rev. Biophys. · 2009 · 38 · 30110.1146/annurev.biophys.050708.133724 ↗
23. Dembo M. · Biophys. J. · 1999 · 76 · 230710.1016/S0006-3495(99)77386-8 ↗
24. Wang J. H. C. · Biomech. Model. Mechanobiol. · 2007 · 6 · 36110.1007/s10237-006-0068-4 ↗
25. Otto O. · Nat. Methods · 2015 · 12 · 19910.1038/nmeth.3281 ↗
26. Radmacher M. · Science · 1992 · 257 · 190010.1126/science.1411505 ↗
27. Radmacher M. · Biophys. J. · 1993 · 64 · 73510.1016/S0006-3495(93)81433-4 ↗
28. Goldmann W. H. · Exp. Cell Res. · 1998 · 239 · 23510.1006/excr.1997.3915 ↗
29. A-Hassan E. · Biophys. J. · 1998 · 74 · 156410.1016/S0006-3495(98)77868-3 ↗
30. Radmacher M. · Biophys. J. · 1996 · 70 · 55610.1016/S0006-3495(96)79602-9 ↗
31. Wojcikiewicz E. P. · J. Cell Sci. · 2003 · 116 · 253110.1242/jcs.00465 ↗
32. Rico F. · Biophys. J. · 2010 · 99 · 138710.1016/j.bpj.2010.06.037 ↗
33. Lehenkari P. P. · Ultramicroscopy · 2000 · 82 · 28910.1016/S0304-3991(99)00138-2 ↗
34. Domke J. · Langmuir · 1998 · 14 · 332010.1021/la9713006 ↗
35. Radmacher M. · Methods Cell Biol. · 2002 · 68 · 6710.1016/S0091-679X(02)68005-7 ↗
36. Vargas-Pinto R. · Biophys. J. · 2013 · 105 · 30010.1016/j.bpj.2013.05.034 ↗
37. Chadwick R. S. · Nat. Nanotechnol. · 2012 · 7 · 73310.1038/nnano.2012.163 ↗
38. Rico F. · Phys. Rev. E · 2005 · 72 · 02191410.1103/PhysRevE.72.021914 ↗
39. Chiou Y.-W. · PLoS One · 2013 · 8 · e7738410.1371/journal.pone.0077384 ↗
40. Dimitriadis E. K. · Biophys. J. · 2002 · 82 · 279810.1016/S0006-3495(02)75620-8 ↗
41. Xu W. · PLoS One · 2012 · 7 · e4660910.1371/journal.pone.0046609 ↗
42. Cross S. E. · Nat. Nanotechnol. · 2007 · 2 · 78010.1038/nnano.2007.388 ↗
43. Lekka M. · Eur. Biophys. J. · 1999 · 28 · 31210.1007/s002490050213 ↗
44. Heidemann S. R. · Trends Cell Biol. · 2004 · 14 · 16010.1016/j.tcb.2004.02.003 ↗
45. Hofmann U. G. · J. Struct. Biol. · 1997 · 119 · 8410.1006/jsbi.1997.3868 ↗
46. Raman, A.; Trigueros, S.; Cartagena, A.; Stevenson, A. P. Z.; Susilo, M.; Nauman, E.; Contera, S. A.Mapping nanomechanical properties of live cells using multi-harmonic atomic force microscopy.
47. Guo Q. · J. Biomech. · 2012 · 45 · 30410.1016/j.jbiomech.2011.10.031 ↗
48. Hoffman B. D. · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2006 · 103 · 1025910.1073/pnas.0510348103 ↗
49. Mahaffy R. E. · Biophys. J. · 2004 · 86 · 177710.1016/S0006-3495(04)74245-9 ↗
50. Petersen N. O. · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 1982 · 79 · 532710.1073/pnas.79.17.5327 ↗
51. Rotsch C. · Cell Biol. Int. · 1997 · 21 · 68510.1006/cbir.1997.0213 ↗
52. Xia Y. · Annu. Rev. Mater. Sci. · 1998 · 28 · 15310.1146/annurev.matsci.28.1.153 ↗
53. Théry M. · Curr. Opin. Cell Biol. · 2006 · 18 · 64810.1016/j.ceb.2006.10.001 ↗
54. Théry M. · Nat. Cell Biol. · 2005 · 7 · 94710.1038/ncb1307 ↗
55. Théry M. · J. Cell Sci. · 2010 · 123 · 420110.1242/jcs.075150 ↗
56. Grossier J.-P. · EMBO J. · 2014 · 33 · 3510.1002/embj.201385284 ↗
57. Van Dongen S. F. M. · Adv. Mater. · 2013 · 25 · 168710.1002/adma.201204474 ↗
58. James J. · Cell Motil. Cytoskeleton · 2008 · 65 · 84110.1002/cm.20305 ↗
59. Park C. Y. · Am. J. Physiol.: Cell Physiol. · 2010 · 298 · C124510.1152/ajpcell.00417.2009 ↗
60. Roca-Cusachs P. · Biophys. J. · 2008 · 94 · 498410.1529/biophysj.107.116863 ↗
61. Tee S.-Y. · Biophys. J. · 2011 · 100 · L2510.1016/j.bpj.2010.12.3744 ↗
62. Rotsch C. · Biophys. J. · 2000 · 78 · 52010.1016/S0006-3495(00)76614-8 ↗
63. Ramamurthy B. · Biochemistry · 2004 · 43 · 1483210.1021/bi0490284 ↗
64. Mathur A. B. · J. Biomech. · 2001 · 34 · 154510.1016/S0021-9290(01)00149-X ↗
65. Fabry B. · Phys. Rev. Lett. · 2001 · 87 · 14810210.1103/PhysRevLett.87.148102 ↗
66. Alcaraz J. · Biophys. J. · 2003 · 84 · 207110.1016/S0006-3495(03)75014-0 ↗
67. Cartagena A. · Biophys. J. · 2014 · 106 · 103310.1016/j.bpj.2013.12.037 ↗
68. Théry M. · Cell Motil. Cytoskeleton · 2006 · 63 · 34110.1002/cm.20126 ↗
69. Wang N. · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2001 · 98 · 776510.1073/pnas.141199598 ↗
70. Ingber D. E. · Rep. Prog. Phys. · 2014 · 77 · 04660310.1088/0034-4885/77/4/046603 ↗
71. Pourati J. · Am. J. Physiol. · 1998 · 274 · C128310.1152/ajpcell.1998.274.5.C1283 ↗
72. Stamenović D. · J. Theor. Biol. · 1999 · 201 · 6310.1006/jtbi.1999.1014 ↗
73. Stamenović D. · 2006
74. Fredberg, J.; Fabry, B.The Cytoskeleton as a Soft Glassy Material.1–17.
75. Bischofs I. · Phys. Rev. Lett. · 2009 · 103 · 04810110.1103/PhysRevLett.103.048101 ↗
76. Maniotis a J. · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 1997 · 94 · 84910.1073/pnas.94.3.849 ↗
77. Lee J. S. H. · Biophys. J. · 2007 · 93 · 254210.1529/biophysj.106.102426 ↗
78. 10.1101/pdb.prot525510.1101/pdb.prot5255 ↗
79. Hutter J. L. · Rev. Sci. Instrum. · 1993 · 64 · 186810.1063/1.1143970 ↗
80. Butt H. · Nanotechnology · 1995 · 1
81. Domke J. · Colloids Surf., B · 2000 · 19 · 36710.1016/S0927-7765(00)00145-4 ↗