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Biomechanics of the progression of colorectal carcinomas

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Universitat de Barcelona. Facultat de Física

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[eng] Living tissues are active materials with the ability to undergo drastic shape and dimension transitions. If properly controlled, these morphological changes allow various physiological phenomena such as embryonic development, regeneration, and wound healing. However, when regulation fails, aberrant morphological transitions could cause developmental defects and tumour formation. Among others, some examples of malignant morphological transformations are monolayer dewetting and cancer budding. 
The general goal of this thesis was to investigate how supracellular cell and tissue mechanics contribute to colorectal cancer epithelia budding and dewetting. In the first part of the study, we studied the role played by mechanical and topological cues in the formation of budding structures in LS513 monolayers, while in the second part we focused on the mechanical characterization of 2D/3D malignant retraction (dewetting) of confined LS174 in epithelia. 
Using a combination between cellular biology techniques and biophysical methods, we showed that budding in LS513 epithelia is a multi-step morphological phenomenon fostered by stroma stiffening. Moreover, we revealed that budding occurs in monolayer regions displaying higher traction forces and higher vorticity. 
We also demonstrated that bud formation in LS513 epithelia is characterised by the emergence of a cloud-like pattern of +1/2 topological defects at the level of the monolayer. This pattern of defects is visible in the epithelium from the early stages of the process, until the formation of a mature bulging structure. 
Finally, we showed that KRAS oncogene-mediated MAPK activation is a necessary condition for budding in LS513 epithelia; indeed, the use of MAPK pathway inhibitors dramatically hinders the formation of buds. Interestingly, we also discovered that MAPK inhibition causes dramatic topological defects reduction.
In the second part of the thesis, we showed that dewetting in confined LS174T epithelia occurs in a non-symmetric fashion and is accompanied by various morphological changes at the level of the monolayer. The asymmetry of this process is reflected by the differential traction profiles exerted during dewetting by the retracting edge, if compared to the non-retracting side of the pattern.
We also demonstrated that dewetted LS174T patterns present different normal and magnitude traction profiles, if compared to non-dewetted islands. 
Finally, we showed that, in LS174T confined patterns, substrate adhesion is a key parameter in determining transition from cellular spreading to dewetting.
Overall, our results demonstrate the pivotal role played by mechanical and topological cues in the formation of budding structures in LS513 monolayers and in 2D/3D malignant retraction (dewetting) of confined LS174 epithelia.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[spa] Los tejidos vivos son materiales activos con la capacidad de sufrir drásticas transiciones de forma y dimensión. Si se controlan adecuadamente, estos cambios morfológicos permiten diversos fenómenos fisiológicos como el desarrollo embrionario, la regeneración y la cicatrización de heridas. Sin embargo, cuando la regulación falla, las transiciones morfológicas aberrantes podrían causar defectos de desarrollo y formación de tumores. Entre otros, algunos ejemplos de transformaciones morfológicas malignas son el monolayer dewetting y el budding (gemación) del cáncer. 
El objetivo general de esta tesis fue investigar cómo la mecánica supracelular de células y tejidos contribuye al budding y al dewetting del epitelio del cáncer colorrectal. En la primera parte del estudio, estudiamos el papel desempeñado por las señales mecánicas y topológicas en la formación de buds en monocapas LS513, mientras que en la segunda parte nos centramos en la caracterización mecánica de la retracción maligna 2D/3D (dewetting) de epitelios LS174 confinados. 
Usando una combinación entre técnicas de biología celular y métodos biofísicos, mostramos que la gemación en el epitelio LS513 es un fenómeno morfológico de varios pasos fomentado por el endurecimiento (stiffening) del estroma. Además, revelamos que la gemación ocurre en regiones monocapa que muestran mayores fuerzas de tracción y mayor vorticidad. 
También demostramos que la formación de buds en el epitelio LS513 se caracteriza por la aparición de un patrón similar a una nube de +1/2 defectos topológicos a nivel de la monocapa. Este patrón de defectos es visible en el epitelio desde las primeras etapas del proceso, hasta la formación de una estructura 3D madura. 
Finalmente, demostramos que la activación de MAPK mediada por el oncogén KRAS es una condición necesaria para la gemación en el epitelio LS513; de hecho, el uso de inhibidores de la vía MAPK dificulta dramáticamente la formación de buds. Curiosamente, también descubrimos que la inhibición de MAPK causa una reducción dramática de los defectos topológicos.
En la segunda parte de la tesis, mostramos que el dewetting en epitelios confinados de LS174T ocurre de manera no simétrica y se acompaña de diversos cambios morfológicos a nivel de la monocapa. La asimetría de este proceso se refleja en los perfiles de tracción diferencial ejercidos durante el dewetting por el borde retráctil, si se compara con el lado no retráctil de la monocapa.
También demostramos que los patrones de LS174T que han hecho dewetting presentan diferentes perfiles de tracción normales y de magnitud, si se comparan con las islas que no se han retirado. 
Finalmente, demostramos que, en los patrones confinados LS174T, la adhesión del sustrato es un parámetro clave para determinar la transición del spreading celular al dewetting.
En general, nuestros resultados demuestran el papel fundamental desempeñado por las señales mecánicas y topológicas en la formación de buds en monocapas LS513 y en la retracción maligna 2D/3D (dewetting) de epitelios confinados de LS174.

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Biomechanics of the progression of colorectal carcinomas