The mechanical microenvironment within a tissue drives fundamental cell behaviours including cell survival, proliferation, and migration, that ultimately direct healthy tissue homeostasis or pathologic progression. Cells sense a variety of biophysical cues, such as externally applied strain, extracellular stiffness, and surface geometry;​ all of which regulate more complex processes such as cellular contraction, a tissue relevant phenomenon important in both development and disease. Local cell contraction provides a set of cell-scale mechanical cues, including tissue strain and stiffness;​ but how these local mechanical microenvironments drive global tissue contraction is undefined. In this work, I (1) develop and characterize a stiffness-tunable microtissue bioprinting culture platform for increased-throughput study of mechanobiological contraction, (2) develop a technique to modify microtissue geometry, to study how tissue free boundary area affects global tissue contraction, and (3) investigate how initial tissue stiffness impacts the changing local strain, local stiffness, and local forces within contracting microtissues. Stiffness impacted cell morphology and high stiffness slowed global tissue contraction rates. High stiffness was not able to stimulate contraction as well as soluble molecule stimulants, demonstrating that this mechanical signal may not be a driving cue of 3D tissue contraction. Tissue geometry affected contraction, where high tissue free boundary area increased global strain rates. This suggests that cell phenotypes at the tissue perimeter, including the organized F-actin superstructure sheet encasing the microtissue, are crucial elements of tissue contraction. Initial tissue stiffness surprisingly did not impact local stiffness during contraction, suggesting that matrix properties are insignificant contributors to local stiffness following cell seeding. Instead, live, contractile cells appeared to dominate local tissue stiffness. Increasing baseline stiffness decreased local strain and local force generation within contracting microtissues. Moreover, local, cell-induced forces did not depend on real-time local stiffness. Instead, forces arising within tissues correlated well with local tissue strain, independent of initial stiffness, suggesting that tissue strain rather than tissue stiffness may be the dominant driver of 3D contraction. Finally, this work is discussed within the context of focal adhesion formation and cell spreading. The work conducted here is supported by recent studies demonstrating that microenvironment stiffness regulates ligand recruitment, driving focal adhesion formation and downstream contractile cell behaviours such as cell spread and F-actin structure formation. This suggests that local strain is necessary for focal adhesion formation within a 3D fibrous matrix, and is therefore a crucial mechanical cue that arises during tissue contraction. This work hence provides a robust platform for mechanical analysis of tissue contraction, and highlights critical signalling cues that drive niche, local microenvironments, thereby impacting global tissue contraction

Le microenvironnement mécanique au sein d'un tissu entraîne des comportements cellulaires fondamentaux, notamment la survie, la prolifération et la migration cellulaires, qui dirigent finalement l'homéostasie des tissus sains ou la progression pathologique. Les cellules détectent une variété d'indices biophysiques, tels que la contrainte appliquée de l'extérieur, la rigidité extracellulaire et la géométrie de la surface ;​ qui régulent tous des processus plus complexes tels que la contraction cellulaire, un phénomène important pour le développement et la maladie. La contraction cellulaire locale fournit un ensemble d'indices mécaniques à l'échelle cellulaire, y compris la tension et la rigidité des tissus ;​ mais la façon dont ces microenvironnements mécaniques locaux entraînent la contraction globale des tissus n'est pas définie. Dans ce travail, je (1) développe et caractérise une plate-forme de culture de bio-impression de microtissus à rigidité ajustable pour une étude à débit accru de la contraction mécanobiologique, (2) développe une technique pour modifier la géométrie des microtissus, pour étudier comment la zone de frontière libre des tissus affecte le tissu global contraction, et (3) étudier l'impact de la rigidité tissulaire initiale sur la déformation locale changeante, la rigidité locale et les forces locales au sein des microtissus en contraction. La rigidité a eu un impact sur la morphologie cellulaire et une rigidité élevée a ralenti les taux de contraction globale des tissus. Une rigidité élevée n'a pas été en mesure de stimuler la contraction aussi bien que les stimulants de molécules solubles, démontrant que ce signal mécanique peut ne pas être un indice moteur de la contraction des tissus 3D. La géométrie des tissus a affecté la contraction, où une zone de frontière libre élevée des tissus a augmenté les taux de déformation globaux. Cela suggère que les phénotypes cellulaires au périmètre du tissu, y compris la feuille de superstructure organisée d'actine F enveloppant le microtissu, sont des éléments cruciaux de la contraction tissulaire. La rigidité tissulaire initiale n'a étonnamment pas eu d'impact sur la rigidité locale pendant la contraction, ce qui suggère que les propriétés de la matrice sont des contributeurs insignifiants à la rigidité locale après l'ensemencement cellulaire. Au lieu de cela, les cellules contractiles vivantes semblaient dominer la rigidité des tissus locaux. L'augmentation de la rigidité de base a diminué la tension locale et la génération de force locale dans les microtissus en contraction. De plus, les forces locales induites par les cellules ne dépendaient pas de la rigidité locale en temps réel. Au lieu de cela, les forces apparaissant dans les tissus étaient bien corrélées avec la tension tissulaire locale, indépendamment de la rigidité initiale, ce qui suggère que la tension tissulaire plutôt que la rigidité tissulaire peut être le moteur dominant de la contraction 3D. Enfin, ce travail est discuté dans le contexte de la formation d'adhérence focale et de la propagation cellulaire. Les travaux menés ici sont soutenus par des études récentes démontrant que la rigidité du microenvironnement régule le recrutement de ligands, entraînant la formation d'adhérence focale et les comportements cellulaires contractiles en aval tels que la propagation cellulaire et la formation de la structure F-actine. Cela suggère que la contrainte locale est nécessaire pour la formation d'adhérence focale au sein d'une matrice fibreuse 3D, et est donc un indice mécanique crucial qui survient lors de la contraction des tissus. Ce travail fournit donc une plate-forme robuste pour l'analyse mécanique de la contraction des tissus et met en évidence les signaux de signalisation critiques qui entraînent des microenvironnements locaux de niche, ayant ainsi un impact sur la contraction globale des tissus