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Integrative cell and tissue dynamics

About

We aim at understanding how physical forces and molecular control modules cooperate to drive biological function.

We develop new technologies to map and perturb the main physical properties that determine how cells and tissues grow, move, invade and remodel.

By combining this physical information with systematic molecular perturbations and computational models we explore the principles that govern the interplay between chemical and physical cues in living tissues.
We study how these principles are regulated in physiology and development, and how they are derailed in cancer and aging.

Making cellular forces visible

To study cell and tissue dynamics we develop new technologies to measure physical forces at the cell-cell and cell-matrix interface. By combining these technologies with computational analysis of cell shape and velocity we obtain a full experimental characterization of epithelial dynamics during tissue growth, wound healing and cancer cell invasion.

Tumour invasion by stromal forces

Cancer cell invasion and metastasis remain the leading cause of death in patients with cancer. Both processes are the result of a complex interaction between tumor cells and their microenvironment. One of our main lines of research is to study how tumours exploit the functions of non-cancer cells in their microenvironment to invade and metastasize. We focus on the interaction between epithelial cancer cells and Cancer Associated Fibroblasts (CAFs), the most abundant cell type in the tumour stroma.

Optogenetics to control cell mechanics

The recent development of optogenetic technologies offers promising possibilities to control signalling pathways with high spatiotemporal resolution. By expressing genetically encoded light-sensitive proteins, optogenetic technology enables the reversible perturbation of intracellular biochemistry with subcellular resolution. We have developed optogenetic tools based on controlling the activity of endogenous RhoA to upregulate or downregulate cell contractility and to control cell shape and mechanotransduction.

Collective durotaxis: a mechanism for cellular guidance by mechanical cues

Directed cell migration is one of the earliest observations in cell biology, dating back to the late XIX century. Also known as taxis, directed cell migration has been commonly associated with chemotaxis, i.e. the ability of a broad variety of cell types to migrate following gradients of chemical factors. We recently demonstrated a new mode of collective cell guidance by mechanical cues, called collective durotaxis. This new migration mode emerges only in cell collectives and, strikingly, does not require isolated cells to exhibit gradient sensing.

Organoid mechanobiology

Organoids are large multicellular structures that self-organize in vitro and maintain a similar organization and functionality than the organ from which they are derived. Organoids from many organs have now been obtained from embryonic stem cells, induced pluripotent stem cells and organ progenitors. We use intestinal and kidney organoids to study how epithelia adopt three-dimensional shapes that closely resemble their structure in vivo. We also use organoids grown from primary tumors to understand how epithelial structure and function are lost with disease progression.

Engineering epithelial shape and mechanics from the bottom up

We develop new approaches to engineer epithelia in 3D. Using these approaches, we study the principles that govern the emergence of tissue shape from the bottom up. We recently found that epithelial sheets can stretch up to four times their initial area without breaking, and that they are able to recover their initial size in a fully reversible way when unstretched. Surprisingly, some cells in the tissue barely stretch, while others become ‘superstretched’, increasing their area more than ten times. We call this phenomenon ‘active superelasticity’.

Staff

Projects

NATIONAL PROJECTSFINANCERPI
mGRADIENTMecanobiología de la migración colectiva durante la haptotaxis y la durotaxis: aplicación a los organoides intestinales (2019-2022)MICIU Generación Conocimiento: Proyectos I+DXavier Trepat
DYNAGELHidrogeles biocompatibles con rigidez dinámicamente ajustable para estudiar la mecanobiología de células y tejidos (2019-2022)MICIU Retos investigación: Proyectos I+DRaimon Sunyer
INTERNATIONAL PROJECTSFINANCERPI
EpiFold Engineering epithelial shape and mechanics: from synthetic morphogenesis to biohybrid devices (2021-2025)European Commission, ERC-AdGXavier Trepat
The role of intermediate filaments in stress resistance in 3D epithelial structures (2021-2023)Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Walter Benjamin-Programme Tom Golde
Mechano·Control Mechanical control of biological function (2017-2022)European Commission, FET ProactiveXavier Trepat
Control of cell collective flows and tissue folding by means of surface patterns (2021-2022)Human Frontier Science Program, HFSP Beca postdoctoral 
 
Pau Guillamat
PRIVATELY-FUNDED PROJECTSFINANCERPI
Mech4Cancer · Enabling technologies to map nuclear mechanosensing: from organoids to tumors (2020-2023)Obra Social La Caixa: Health Research CallXavier Trepat
T cell exclusion during cancer immune evasion and immunotherapy failure: cell types, transcriptional programs and biomechanics (2020-2023)Fundació La Marató de TV3Xavier Trepat
Joint Programme Healthy AgeingObra Social La CaixaXavier Trepat
Understanding and measuring mechanical tumor properties to improve cancer diagnosis, treatment, and survival: Application to liquid biopsies (2017-2022)Obra Social La CaixaXavier Trepat
FINISHED PROJECTSFINANCERPI
OPTOLEADER Optogenetic control of leader cell mechanobiology during collective cell migration (2019-2021)European Commission, MARIE CURIE – IF Leone Rossetti
MECHANOIDS Probing and controlling the three-dimensional organoid mechanobiology (2019-2021)European Commission, MARIE CURIE – IF Manuel Gómez
TensionControl Multiscale regulation of epithelial tension (2015-2020)European Commission, ERC – CoGXavier Trepat
El mecanoma de la adhesión epitelial: mecanismos de detección, resistencia y transmisión de fuerzas intercelularesMINECO, I+D-Investigación fundamental no orientadaXavier Trepat
MICROGRADIENTPAGE Micro Gradient Polyacrylamide Gels for High Throughput Electrophoresis AnalysisEuropean Commission, ERC-PoCXavier Trepat
GENESFORCEMOTION Physical Forces Driving Collective Cell Migration: from Genes to MechanismEuropean Commission, ERC-StGXavier Trepat
CAMVAS Coordination and migration of cells during 3D Vasculogenesis (2014-2017)European Commission, MARIE CURIE – IOFXavier Trepat
DUROTAXIS Mecanobiología de la durotaxis: de las células aisladas a los tejidosMINECO, Proyectos I+D ExcelenciaXavier Trepat

Publications

Equipment

  • Soft Lithography
  • Micro/Nano fabrication
  • Cell stretching
  • Live Confocal Microcopy
  • Magnetic Tweezers
  • Magnetic Twisting Cytometry
  • Monolayer stress microscopy
  • Traction microscopy

Collaborations

  • Julien Colombelli / Eduard Batlle
    Institute for Research in Biomedicine (IRB) Barcelona
  • Marino Arroyo
    Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona
  • Guillaume Charras / Roberto Mayor
    University College London, UK
  • Erik Sahai
    Cancer Research, UK
  • Benoit Ladoux
    Université Paris 7, France
  • Jim Butler & Jeff Fredberg
    Harvard University, Boston
  • Danijela Vignjevic
    Institut Curie, Paris
  • Jonel Trebicka
    Department of Internal Medicine I, University Hospital Frankfurt
  • Eduard Batlle
    Institute for Research in Biomedicine (IRB) Barcelona

News

Tres proyectos en los que participa el IBEC han sido seleccionados para recibir financiación de La Marató 2018 «Contra el cáncer». Uno de los proyectos es liderado por el investigador Pere Roca-Cusachs y los otros dos son co-liderados por los investigadores Xavier Trepat y Núria Montserrat. La ceremonia de entrega de los diplomas acreditativos tuvo lugar el 30 de octubre en el Auditorio de la Academia de Ciencias Médicas y de la Salud de Cataluña y de Baleares. En esta edición se han escogido 43 proyectos de los 188 evaluados por un comité de expertos en cáncer de ámbito internacional, en función de su excelencia, metodología y relevancia.

El IBEC recibe financiación para tres proyectos de la mano de la Marató 2018

Tres proyectos en los que participa el IBEC han sido seleccionados para recibir financiación de La Marató 2018 «Contra el cáncer». Uno de los proyectos es liderado por el investigador Pere Roca-Cusachs y los otros dos son co-liderados por los investigadores Xavier Trepat y Núria Montserrat. La ceremonia de entrega de los diplomas acreditativos tuvo lugar el 30 de octubre en el Auditorio de la Academia de Ciencias Médicas y de la Salud de Cataluña y de Baleares. En esta edición se han escogido 43 proyectos de los 188 evaluados por un comité de expertos en cáncer de ámbito internacional, en función de su excelencia, metodología y relevancia.

Un equipo de investigadores del IBEC liderado por Xavier Trepat, en colaboración con el CMRB, han descubierto un mecanismo que genera células de dos núcleos. Este mecanismo, que se ha identificado durante la regeneración del corazón del pez cebra, podría estar asociado al extraordinario poder regenerativo de este animal.Después de una lesión aguda, como un infarto de miocardio, el corazón humano es incapaz de regenerarse. Las células cardíacas adultas no pueden crecer y dividirse para sustituir a las dañadas, y la lesión se vuelve irreversible. Pero esto no pasa en todos los animales. Un pez de agua dulce originario del Sudeste Asiático, conocido como pez cebra, puede regenerar su corazón por completo incluso después de la amputación del 20% de su ventrículo.

Las células de dos núcleos podrían ser la clave en la regeneración de corazón

Un equipo de investigadores del IBEC liderado por Xavier Trepat, en colaboración con el CMRB, han descubierto un mecanismo que genera células de dos núcleos. Este mecanismo, que se ha identificado durante la regeneración del corazón del pez cebra, podría estar asociado al extraordinario poder regenerativo de este animal.Después de una lesión aguda, como un infarto de miocardio, el corazón humano es incapaz de regenerarse. Las células cardíacas adultas no pueden crecer y dividirse para sustituir a las dañadas, y la lesión se vuelve irreversible. Pero esto no pasa en todos los animales. Un pez de agua dulce originario del Sudeste Asiático, conocido como pez cebra, puede regenerar su corazón por completo incluso después de la amputación del 20% de su ventrículo.

La migración celular es un proceso biológico esencial que conduce la formación de tejidos y órganos durante el desarrollo embrionario que también ayuda a proteger el cuerpo a través de la respuesta inmunitaria y los mecanismos de cicatrización de heridas. Los cambios en la forma necesarios para la migración celular dependen de la organización dinámica y la generación de fuerzas del citoesqueleto de actomiosina interno de la célula, que está formado por filamentos de actina estructurales y proteínas motoras contráctiles de miosina. La reorganización de estos componentes permite dos mecanismos de migración celular.

Nuevo avance en el conocimiento sobre el cambio de flujo de actina en la migración celular

La migración celular es un proceso biológico esencial que conduce la formación de tejidos y órganos durante el desarrollo embrionario que también ayuda a proteger el cuerpo a través de la respuesta inmunitaria y los mecanismos de cicatrización de heridas. Los cambios en la forma necesarios para la migración celular dependen de la organización dinámica y la generación de fuerzas del citoesqueleto de actomiosina interno de la célula, que está formado por filamentos de actina estructurales y proteínas motoras contráctiles de miosina. La reorganización de estos componentes permite dos mecanismos de migración celular.

Xavier Trepat, investigador principal de IBEC, ha publicado un artículo de opinión en la sección News and Views (Noticias y Opinión) del último número de la revista Nature, dedicado a la «Biología ascendente». En su artículo «Bottom does not explain top» («El nivel inferior no explica el nivel superior»), Xavier argumenta que entender cómo se construyen las estructuras biológicas complejas —o incluso las células como un todo—, sólo aporta una cierta idea de cómo funcionan los sistemas biológicos en niveles superiores de organización. Hay muchas variables, como por ejemplo la densidad, o incluso las patologías que puede sufrir un sujeto, que afectan al comportamiento celular a nivel de mesoescala, es decir, a largo plazo, a una escalera más sistémica que la de los componentes individuales de un organismo.

¿El enfoque ascendente es suficiente para entender todo un sistema?

Xavier Trepat, investigador principal de IBEC, ha publicado un artículo de opinión en la sección News and Views (Noticias y Opinión) del último número de la revista Nature, dedicado a la «Biología ascendente». En su artículo «Bottom does not explain top» («El nivel inferior no explica el nivel superior»), Xavier argumenta que entender cómo se construyen las estructuras biológicas complejas —o incluso las células como un todo—, sólo aporta una cierta idea de cómo funcionan los sistemas biológicos en niveles superiores de organización. Hay muchas variables, como por ejemplo la densidad, o incluso las patologías que puede sufrir un sujeto, que afectan al comportamiento celular a nivel de mesoescala, es decir, a largo plazo, a una escalera más sistémica que la de los componentes individuales de un organismo.

Investigadores del IBEC y la UB descubren que la expansión de células tumorales no obedece las leyes de la física tal y como están formuladas actualmente. Este descubrimiento está impulsado por la Fundación Bancaria “la Caixa”. En un artículo publicado hoy en la revista Nature Physics, los investigadores reformulan estas leyes y desarrollan un nuevo marco que puede contribuir a predecir las condiciones en las que los tumores inician la metástasis.

La expansión de células tumorales desafía la física actual

Investigadores del IBEC y la UB descubren que la expansión de células tumorales no obedece las leyes de la física tal y como están formuladas actualmente. Este descubrimiento está impulsado por la Fundación Bancaria “la Caixa”. En un artículo publicado hoy en la revista Nature Physics, los investigadores reformulan estas leyes y desarrollan un nuevo marco que puede contribuir a predecir las condiciones en las que los tumores inician la metástasis.

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