Matrix stiffness has been extensively investigated as a driver of cell behaviors and determinant of cell fates. These studies focused on cells cultured on linear elastic substrates, however the cellular microenvironment is not linearly elastic. A more accurate characterisation of tissues is as a viscoelastic material where there is a time dependence to relating stress and strain. Individual cells use traction forces to gauge their local mechanical environment and they have been shown to respond to viscous changes in their environment, independent of changes in elasticity. With individual cells being responsive to viscous changes and tissues being well characterised by viscoelasticity, it follows that understanding local cell-scale viscoelasticity of tissues could inform our understanding of tissue development and disease progression. However, few techniques exist capable of making such measurements, so it is unclear what the local viscoelastic properties which cells create and respond to are.

Here, we adapted the use of fluorescently labelled swellable mechanosensors to characterize microscale viscoelasticity within complex 3D tissues. These cell-sized sensors were previously used to measure local stiffness based on equilibrated sensor size changes. To further the technology for viscoelastic measurements, we characterized sensor generated stress in phantom tissues of prescribed elasticity. We then used the stress-sensor expansion curve in inverse finite element simulations to fit model strain-time curves with experimentally obtained strain-time curves from sensors embedded in tissues. As a first application, we evaluated the viscoelastic properties of invasive and non-invasive cancer tumor models and demonstrate a significant difference in viscous behavior at the cellular length scale within these realistic tissue models. This technique provides the means to characterize viscoelasticity with cell-scale resolution at unprecedented tissue depths which supports future investigation of how mechanical characteristics of the local mechanical environment influence cell behavior

La rigidité de la matrice a fait l'objet d'études approfondies en tant que moteur du comportement des cellules et déterminant de leur devenir. Ces études se sont concentrées sur des cellules cultivées sur des substrats élastiques linéaires, mais le micro-environnement cellulaire n'est pas linéairement élastique. Une caractérisation plus précise des tissus est qu'il s'agit d'un matériau viscoélastique où la relation entre la contrainte et la déformation dépend d'un dixième de degré. Les cellules individuelles utilisent les forces de traction pour évaluer leur environnement mécanique local et il a été démontré qu'elles répondent aux changements visqueux de leur environnement indépendamment des changements d'élasticité. Les cellules individuelles étant sensibles aux changements visqueux et les tissus étant bien caractérisés par leur viscoélasticité, il s'ensuit que la compréhension de la viscoélasticité locale des tissus à l'échelle cellulaire pourrait nous aider à comprendre le développement des tissus et la progression des maladies. Cependant, il existe peu de techniques capables d'effectuer de telles mesures, et on ne sait donc pas quelles sont les propriétés viscoélastiques locales que les cellules créent et auxquelles elles répondent.

Ici, nous avons adapté l'utilisation de mécanocapteurs gonflables marqués par fluorescence pour caractériser la viscoélasticité à micro-échelle dans des tissus 3D complexes. Ces capteurs de la taille d'une cellule étaient auparavant utilisés pour mesurer la rigidité locale sur la base des changements de taille du capteur en équilibre. Pour faire progresser la technologie des mesures viscoélastiques, nous avons caractérisé la contrainte générée par le capteur dans des tissus fantômes d'une élasticité prescrite. Nous avons ensuite utilisé la courbe d'expansion contrainte-capteur dans des simulations inverses par éléments finis pour ajuster les courbes de déformation-temps du modèle aux courbes de déformation-temps obtenues expérimentalement à partir de capteurs intégrés dans des tissus. Dans une première application, nous avons évalué les propriétés viscoélastiques de modèles de tumeurs cancéreuses invasives et non invasives et démontré une différence significative dans le comportement visqueux à l'échelle de la cellule dans ces modèles de tissus réalistes. Cette technique permet de caractériser la viscoélasticité avec une résolution à l'échelle cellulaire à des profondeurs tissulaires sans précédent, ce qui favorise les recherches futures sur la façon dont les caractéristiques mécaniques de l'environnement local influencent le comportement cellulaire