Cell-generated mechanical forces are well recognized to be critical drivers of cell and tissue function. These range from cell-scale behaviours of adhesion, proliferation, and differentiation, to tissue-level processes including morphogenetic remodelling and disease progression. Despite their established significance, measuring cell-generated forces within three-dimensional tissues remains challenging, particularly in the soft and mechanically dynamic environments that comprise most tissues of the body. Understanding how cell-generated forces arise and evolve in these complex microenvironments will help drive novel tissue engineering strategies, develop targeted therapeutics, and better our understanding of fundamental biological processes. This thesis describes the development of microspherical stress gauges (MSGs) capable of reporting absolute, multi-directional stresses within three-dimensional tissues. Fabricated from an ultrasoft, linear elastic, and compressible hydrogel formulation, these cell-sized sensors visibly deform under Pascale-scale stresses, enabling non-invasive, real-time monitoring of internal stresses within soft tissues. As a first application, MSGs were used to monitor the stresses that evolve within compacting multicellular spheroid (MCS) cultures. Spontaneous patterns of internal stresses were observed to arise during the spheroid formation process, which were driven by spatial differences in cell contractility, and ultimately determined the internal spheroid architecture. This was supported by biomarker analysis and finite element modelling. MSGs were then used to monitor the stresses that arise within MCS formed from two breast cancer cell-lines, each exhibiting distinct invasive properties. Spheroid stresses were heavily cell-type dependent and changes in cell-generated stresses precede visible global changes in spheroid morphology. Finally, MSGs were used to measure the stresses that develop within contracting collagen hydrogels of tunable stiffness. Internal stresses were largely heterogeneous and correlated with tissue density after contraction, independent of bulk matrix stiffness. These studies illustrate the applicability of MSGs as a robust tool to measure cell-scale stresses within dynamically evolving tissue cultures

Les forces mécaniques générées par les cellules sont reconnues comme élément essentiel responsable pour divers fonctions cellulaire et tissulaire. Celles-ci incluent l'adhésion, la prolifération et la différenciation à l’échelle cellulaire, mais aussi le remodelage morphogénétique et la pathogenèse au niveau tissulaire. Malgré leur importance, il reste difficile de les mesurer dans des tissus tridimensionnels, notamment ceux qui représentent les tissus du corps en étant mous et dynamiques. En comprenant comment les forces apparaissent et évoluent dans ces microenvironnements complexes, il sera possible de concevoir des meilleures stratégies d'ingénierie tissulaire, de développer des thérapies ciblées et d'améliorer notre compréhension des processus biologiques fondamentaux. Cette thèse décrit le développement des jauges de contrainte microsphériques («microspherical stress gauges (MSGs)») qui sont en mesure de rapporter les contraintes internes, absolues et multidirectionnelles des tissus tridimensionnels. Fabriqués à partir d'une formulation d'hydrogel ultra-doux, élastique linéaire et compressible, ces capteurs – en déforment visiblement sous des contraintes de quelque unités de Pascal à l’échelle cellulaire – permettent une surveillance non invasive et en temps réel des contraintes internes dans des tissus mous. Dans une première application, les MSGs ont été utilisés pour surveiller l’évolution des contraintes dans des cultures de sphéroïde multicellulaires («multicellular spheroid» (MCS)) qui subissent un compactage durant leur genèse. Des motifs spontanés de contraintes internes produits par une contraction cellulaire spatio-dépendante ont été observés au cours de la formation des sphéroïdes et – en fin de compte – ont déterminé leur architecture interne. Cette observation – par la suite – a été soutenue par une analyse des biomarqueurs et une modélisation par la méthode des éléments finis. Dans une deuxième application, les MSGs ont été utilisés pour évaluer les contraintes qui surviennent lors de la genèse des MCS formé à partir de deux lignées cellulaires de cancer du sein, chacune présentant des propriétés invasives différentes. Les contraintes en dedans de ces sphéroïdes étaient fortement dépendantes du type cellulaire et leur évolution survenait avant les changements morphologiques visibles dans l’organisation globale des sphéroïdes. Dans une troisième application, les MSGs ont été utilisés pour mesurer les contraintes qui se développent dans les hydrogels de collagène en contraction. Les contraintes internes étaient – indépendamment de la rigidité de la matrice d’hydrogel – largement hétérogènes et liées à la densité tissulaire après contraction. Ces études illustrent l'applicabilité des MSGs comme outil robuste capable de mesurer les contraintes à l'échelle cellulaire dans les cultures tissulaires en évolution dynamique