stress fiber growth and remodeling determines cellular ...aritra chatterjee1, paturu kondaiah2,...

46
1 Stress fiber growth and remodeling determines cellular morphomechanics under uniaxial cyclic stretch Aritra Chatterjee 1 , Paturu Kondaiah 2 , Namrata Gundiah *1,3 1 Centre for Biosystems Science and Engineering, 2 Department of Molecular Reproduction, Development and Genetics, 3 Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore 560012, Karnataka * For correspondence: Namrata Gundiah, Department of Mechanical Engineering Indian Institute of Science, Bangalore 560012. Email: [email protected], [email protected] Tel (Off/ Lab): 91 80 2293 2860/ 3366 Keywords: nonlinear fiber‐reinforced continuum, effective modulus, cytoskeleton, nuclear orientation not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which was this version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092 doi: bioRxiv preprint

Upload: others

Post on 20-Jan-2021

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

1  

Stress fiber growth and remodeling determines cellular 

morphomechanics under uniaxial cyclic stretch  

 

 Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 

 

1Centre for Biosystems Science and Engineering, 

2Department of Molecular Reproduction, Development and Genetics,  

3Department of Mechanical Engineering, 

Indian Institute of Science, Bangalore 560012, Karnataka 

 

 

* For correspondence: 

Namrata Gundiah, Department of Mechanical Engineering 

Indian Institute of Science, Bangalore 560012. 

Email: [email protected][email protected] 

Tel (Off/ Lab): 91 80 2293 2860/ 3366 

 

Keywords: nonlinear fiber‐reinforced continuum, effective modulus, cytoskeleton, nuclear orientation  

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 2: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

2  

Abstract  

Stress  fibers  in  the  cytoskeleton are essential  in maintaining  cellular  shape,  and  influence  their 

adhesion and migration. Cyclic uniaxial stretching results in cellular reorientation orthogonal to the 

applied  stretch  direction  via  a  strain  avoidance  reaction;  the  mechanistic  cues  in  cellular 

mechanosensitivity to this response are currently underexplored. We show stretch induced stress 

fiber lengthening, their realignment and increased cortical actin in fibroblasts stretched over varied 

amplitudes  and  durations.  Higher  amounts  of  actin  and  alignment  of  stress  fibers  were 

accompanied  with  an  increase  in  the  effective  elastic  modulus  of  cells.  Microtubules  did  not 

contribute to the measured stiffness or reorientation response but were essential to the nuclear 

reorientation.  We  modeled  stress  fiber  growth  and  reorientation  dynamics  using  a  nonlinear, 

orthotropic,  fiber‐reinforced  continuum  representation  of  the  cell.  The  model  predicts  the 

observed fibroblast morphology and increased cellular stiffness under uniaxial cyclic stretch. These 

studies  are  important  in  exploring  the  differences  underlying  mechanotransduction  and  cellular 

contractility under stretch.  

Introduction 

Adherent fibroblasts in tissues, such as arteries and lungs, undergo cyclic stretch and respond 

to  changes  in  their  mechanical  milieu  through  a  complex  interplay  between  the  cytoskeletal 

components  and  integrin‐mediated  pathways  to  influence  cell  contractility  and  secretion  of 

extracellular matrix constituents [1,2]. Cell driven biochemical processes result in gain or loss in mass 

and  induce  remodeling  of  the  underlying  material  properties  such  as  stiffness  and  anisotropy. 

Continuum mechanics‐based  approaches  to  address  biological  growth  and  remodeling  suggest  an 

intimate relationship between these processes which results in non‐uniform changes to overall form 

and function of the underlying structures [3]. How do mechanosensing processes influence cellular 

growth and remodeling under stretch? Stretch  induced reorientation of cells  involves both passive 

mechanical response to cyclic substrate deformation and dynamic changes to the cytoskeleton [4]. 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 3: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

3  

Contractile  stress  fibers  (SF),  comprised  primarily  of  actin  and  myosin  II,  are  essential  in  the 

development of intracellular stresses which are transmitted through focal adhesion (FA) complexes 

and depend on the activity of RhoA, active Rac1, or Cdc42 [5–7].  

Cyclic uniaxial stretching of fibroblasts seeded on isotropic elastomeric substrates leads to cell 

reorientation  from  random  to  a  near  perpendicular  angle  to  the  loading  direction  [8,9].  Vascular 

smooth  muscle  cells  under  stretch  show  an  initial  rapid  growth  and  reinforcement  followed  by 

disassembly of SF aligned in the direction of stretch; the SF subsequently rearrange in an orthogonal 

direction  [10].  The  associated  actin  reorientation  under  uniaxial  stretch  is  accompanied  with  an 

increase  in  FAK  signaling,  MAP  kinases,  and  a  corresponding  dynamic  increase  in  the  size  of  FA 

complexes [11]. Recent experiments show reorganization and remodeling of FA due to stretching of 

cells [11–13]. Higher strain rates caused rapid disassembly of SF’s along the direction of deformation 

[14,15]. The application of cyclic uniaxial  strain also  influence cell  spreading on soft substrates; SF 

formation persisted four hours after stretching and was related to temporal changes in the movement 

of  MRTF‐A  (myocardin‐related  transcription  factor‐A)  and  YAP  (Yes‐associated  protein)  from  the 

cytoplasm to the nucleus [13,16].  

Stress  fibers are exquisitely sensitive to the dynamically changing mechanical environment 

and are essential in the regulation of cell polarization and transmission of tensional force from the FA 

to the cell [17]. Cell spreading, dependent on the stiffness of the underlying substrate, resulted in a 

bi‐phasic cellular orientation caused by de novo formation of ventrally oriented actin in the cell. Cell 

alignment under cyclic uniaxial stretch is hypothesized to be an avoidance reaction to stretch which is 

facilitated  via  cell‐substrate  interactions  and  their  links  to  the  cytoskeleton  [18].  The  mean  cell 

orientation after stretch contributes to the tensional homeostasis of the cell and helps maintain an 

optimal internal stress [19]. More recently, Chen et al showed that traction boundary conditions are 

crucial in the determination of  cellular orientation under stretch [20] The precise mechanistic cues in 

cellular  mechanosensitivity  to  dynamical  environments  and  links  to  stress  fiber  growth  and  cell 

stiffness changes however remains a fundamental open question.   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 4: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

4  

The goals of this study are to investigate SF dynamics in fibroblasts under uniaxial cyclic stretch 

and relate their growth and remodeling to the cellular reorientation response using a morphoelasticity 

framework. We used a custom fabricated stretcher to subject fibroblasts to uniaxial cyclic stretch for 

different amplitudes over varied time periods. We show that the lengthening and realignment of SF 

primarily  contributes  to  the  cellular  reorientation  response  under  cyclic  stretch. We model  these 

morphomechanical responses using nonlinear, hyperelastic, fiber‐reinforced material model for the 

cell  comprising  of  two  families  of  SF  that  grow  and  reorient  to  under  uniaxial  cyclic  stretch.  The 

measured changes in cell stiffness in response to the stretch amplitude and time duration due to SF 

reorientation are well captured using the model. These results show the importance of SF growth in 

the  resulting  elongation  and  orientation  response  of  cells  under  cyclic  uniaxial  stretch  that  are 

important in the overall mechanotransduction and cellular contractility. 

Results 

Cyclic stretch induced changes in cell morphology and stiffness depends on SF 

reorientation and cortical actin thickness 

Uniaxial  cyclic  stretch experiments were performed on NIH 3T3  fibroblasts  seeded on  thin 

flexible membranes (20 mm length x 10 mm width x ~150 µm thickness), fabricated from poly dimethyl 

siloxane  (PDMS;  Sylgard®184,  Dow  Corning) mixed  in  the  ratio  of  10:1,  using  a  custom  stretcher 

(Supplementary Fig. S1). Cell seeded constructs were stretched uniaxially at 5% and 10% amplitude 

at a frequency of 1 Hz for 3 and 6 hours. Confocal images of fibroblasts stretched at 10% amplitude 

for 6 hours (A10T6) show distinct changes in the overall cellular morphology. Cells were significantly 

elongated and elliptical along a uniform direction perpendicular to the direction of applied stretch as 

compared  to  unstretched  controls  (Fig.  1).  There  were  clear  changes  that  were  apparent  in  the 

cytoskeletal  and  nuclear  orientations  at  higher  amplitude  and  over  longer  stretching  durations 

(A10T6) (Fig. 2a, b). These results show significant differences in the major axis length of the cell along 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 5: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

5  

the  direction  of  reorientation  and  in  cellular  aspect  ratios  (p<0.01  for  both)  between  cyclically 

stretched cells (A10T6) and corresponding unstretched controls (Fig. 2d, e). In addition, the cell spread 

area  increased  significantly  after  subjecting  to  cyclic  stretch  (3087±854  m2)  as  compared  to 

unstretched controls (2450 ±357 m2; p<0.05). We quantified the SF orientation distributions, based 

on  a  wedge‐shaped  orientation  filter  in  MATLAB  (MathWorks  2016b),  from  immunofluorescence 

images  of  cells  (n=30)  stained  to  visualize  SF  (Supplementary  Fig.  S2)  [21,22].  SF  lengths  were 

quantified using Hough transform.  A total of ~30 cells were included in each set and the data averaged 

to compute an overall SF angular and length distribution (Table 1). The results show SF realignment in 

a direction near perpendicular to the direction of applied cyclic stretch; nuclear orientation was also 

in  the  direction  of  cytoskeletal  reorientation  (Fig.  2c).  SF  orientations  changed  from  a  bimodal 

distribution in control unstretched cells to a unimodal distribution orthogonal to the stretch direction 

due  to  uniaxial  cyclic  stretch.  The  SF  distribution  showed  a  distinct  peak  at  higher  amplitude  and 

stretch  duration  (A10T6).  These  data  suggest  that  almost  all  cells  oriented  to  a  uniform  near 

perpendicular angle to the direction of applied cyclic stretch.  

We  used  cytoskeletal  inhibitors  to  delineate  the  individual  contributions  of  SF’s  and 

microtubules  to  the  re‐orientation  response  of  the  cell  under  cyclic  uniaxial  stretch. We  treated 

fibroblasts seeded on ECM coated substrates with cytochalasin‐D, to inhibit actin polymerization, and  

nocodazole, to disrupt microtubules, and uniaxially stretched the constructs for either 3 or 6 hours 

using 5% and 10% amplitude at a frequency of 1 Hz [23]. We also quantified and compared the SF and 

nuclear  orientations  between  the  different  groups.  These  experiments  clearly  demonstrate  that 

inhibition  of  microtubule  polymerization  did  not  abrogate  the  reorientation  response  of  cells;  in 

contrast, inhibition of actin led to complete loss of the reorientation response of the cells (Table 2; 

Supplementary Fig. S3). Further, actin and microtubule depolymerizations significantly abrogated the 

nuclear  reorientation  under  cyclic  stretch.  Cytochalasin‐D  treated  cells  had  ~7°  change  in  nuclear 

orientation under high stretch amplitude and duration (A10T6) as compared to nocodazole treated 

cells which did  not  show  any  change  in  nuclear  angular  orientation under  stretch  (Fig.  2c).  These 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 6: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

6  

results show conclusively the primary contribution of actin to the cellular reorientation responses as 

compared to that of the microtubules which play an important role in the nuclear reorientation.  

  We quantified the differences in material properties of the cells before and after cyclic uniaxial 

stretch  using  an  AFM  (Atomic  Force Microscope).  Individual  cells  were  indented with  a  spherical 

indenter with tip radius, 𝑅 , and the modulus (E) was calculated using a thin layer, finite thickness, 

Hertz model  (22,24)  (Supplementary  information‐1). The  force  (F)‐displacement  (δ)  relationship  is 

given by 

𝐹 ⁄

𝛿 1 𝜒 𝜒

𝛼 𝛽 𝜒 𝛼 𝛽 𝜒 (1)

𝑅 and   𝜒 √ (2)

where h is the cell height and µ is the Poisson’s ratio of the cell (=0.5). α and β are constants that are 

functions of µ. All indentation experiments were performed for a constant indentation depth of 1 μm 

which corresponded to ~14% of the total cell height. Fibroblasts stretched at 10% for 6 hours (A10T6) 

were  indented  in  the presence or  absence of  cytoskeletal  inhibitors  and  the  corresponding  force‐

displacement  curves  were  compared  with  unstretched  controls.  Our  results  show  that  cyclically 

stretched cells had significantly higher stiffness as compared to unstretched controls (p<.05; n~25 in 

each group; Fig. 2f). There was no change in the effective elastic modulus for cytochalasin‐D treated 

cells under cyclic stretch.  In contrast, nocodozole treated cells showed a significant increase in cell 

stiffness following cyclic stretch (p<.01). The cytoskeletal reorientation response in cells demonstrates 

the  dominant  contribution  of  SF  in  cell  realignment  under  cyclic  stretch.  Depolymerization  of 

microtubules,  using  nocodozole  treatment,  did  not  affect  the  stretch  induced  increased  the  cell 

stiffness and was  linked to  formation of SF which drives the cellular reorientation dynamics under 

cyclic stretch.  

Results from cells stretched at 10% amplitude for 6 hours (A10T6) showed ~40% increase in 

the total actin fluorescence intensity as compared to unstretched controls (p<0.05) (Fig. 3f). These 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 7: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

7  

results  on  cyclically  stretched  cells  were  accompanied  with  increased  SF  lengths  and  higher  cell 

stiffness  measured  using  AFM. We measured  intensity  distributions  corresponding  to  the  F‐actin 

fluorescence along the transverse sections of the cell at various points along the major axis of the cell 

to explore possible contributions of the cortical actin to the overall  increase in cell stiffness due to 

cyclic stretching (Fig. 3a, b, c). The full width at half maximum (FWHM) values corresponding to the 

intensity      distribution  for  each  cell  and  the  peak  intensity  values  were  used  to  characterize  the 

thickness of the cortical actin for the cell (Fig. 3d, e). These results showed that the FWHM was 40% 

higher  for  cyclically  stretched  (A10T6)  cells  as  compared  to  un‐stretched  controls  (p<0.05);  cyclic 

stretched cells also had  significantly higher peak  intensities as  compared  to  control  cells  (p<0.01). 

Reinforcement of the cortical actin and an increase in the SF lengths in individual cells caused by cyclic 

uniaxial stretching hence resulted in the increased cell stiffness.    

Morphoelastic model of the cell under uniaxial cyclic stretch  

Volumetric  growth  in  the  cell,  associated  with  mass  addition,  is  described  within  a  finite  strain 

elasticity framework based on deformations caused by non‐uniform changes in the mass at the local 

level at each material point of the body [25]. The SF elongation in the fibroblast under cyclic stretch is 

described  using  the  growth  tensor,  G,  which  produces  a  virtual  stress‐free  and  non‐integrable 

configuration  in  the cell  to generate  residual  stress. SF growth kinematics  is accompanied with an 

elastic deformation, A, which is induced by growth and is essential in restoring compatibility of the 

overall deformation gradient, F, during growth. The elastic deformation tensor plays an important role 

in maintaining the cellular integrity and is related to F as: 

F = A G                                                         (3) 

Coupling between the elastic responses and biological growth is  integral  in morphoelasticity and is 

consistent from kinematic and thermodynamic perspectives. Results from experiments to quantify the 

growth of SF in fibroblasts under uniaxial cyclic stretch were used to determine the growth kinematics 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 8: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

8  

based  on  the  evolving  configurations  during  cell  reorientation  under  stretch  (Supplementary 

Information ‐2).  

  We model the cell as a fiber‐reinforced orthotropic hyperelastic material, comprised of two 

families of SF, based on the microscopy images (Fig. 1) [26,27]. A representative element of the cell is 

characterized through dependence on the elastic deformation, A, and is given by the strain energy 

function, W(A). We assume that the contributions to W are given in terms of an isotropic component, 

Wiso,  given  by  a  neo‐Hookean  term  related  to  the  cytosol  and  an  anisotropic  component  due  to 

presence of two families of SF, Waniso which is given using a standard reinforcing solid model as  

𝑾 𝑨 𝑾𝒊𝒔𝒐 𝑾𝒂𝒏𝒊𝒔𝒐𝝁

𝟐𝑰𝟏 𝟑

𝝁𝜶

𝟐𝑰𝟒 𝟏 𝟐 𝑰𝟔 𝟏 𝟐 (4)

𝜇 is the shear modulus (𝜇 0) and 𝛼 is a measurement of the additional fiber reinforcement (𝛼 0) 

[28]. The elastic counterpart of the right Cauchy‐Green tensor 𝑪 𝑨𝑻𝑨. 𝐼 𝑨 ; 𝑘 1,4,6 are invariants 

of the elastic deformation given by [29] 

𝐼 𝑨 𝑡𝑟 𝑪 𝐼 𝑨 𝑡𝑟 𝑪 𝑡𝑟 𝑪𝑬 𝐼 𝑨 𝑑𝑒𝑡 𝑪𝑬

𝐼 𝑨 𝒎 . 𝑪𝑬𝒎 𝐼 𝑨 𝒎 . 𝑪𝑬𝒎 (5)

𝒎 ; 𝑖 1,2 represents  vectors  corresponding  to  each  of  the  two  SF  directions  in  the  natural 

configuration in the absence of stretch.  

We  use  experimental  data  on  SF  lengthening,  measured  at  different  amplitudes  and  for 

various amount of stretch durations, to formulate the evolution equation for increase in length () of 

SF under cyclic stretch which is assumed to be a function of the applied stretch, 𝜆,  and time, t, and is 

given by 

𝛾 𝑓 𝜆 𝑒 / 𝑐                (6a) 

where            𝑓 𝜆  =     143 𝜆 1 3.8 𝜆 1                          (6b) 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 9: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

9  

 c is a constant with dimensions of length and is defined as the SF length in unstretched (control) cells; 

𝜏  is a growth time scale for the SF. The coefficients in 𝑓 𝜆  were obtained by fitting the experimental 

data to equation (6). We use these evolution equations and write the growth tensor for a single SF as  

𝑮 𝑰 𝛾 1 𝒆 ⨂ 𝒆                                                           (7) 

𝒆   represents  the  unit  vector  in  the  direction  of  SF  growth.  We  next  include  thermodynamic 

restrictions for active growth based on the Claussius–Duhem inequality using the standard Coleman–

Noll procedure (Supplementary Information ‐3,4).  

We assume a form for the SF re‐orientation equations along a uniform direction perpendicular 

to applied cyclic uniaxial stretch as 

𝒎𝒐𝒊

𝒏 𝒏. 𝒎𝒐𝒊 𝒎𝒐

𝒊                                                   (8) 

We have assumed  the direction of  applied uniaxial  cyclic  stretch  is  along  the X‐axis.  The  vector n 

represents the unit vector along the direction of preferred cytoskeletal orientation orthogonal to the 

applied  stretch  in  the Y‐axis  (e2)  [28,30].  Equation  (8)  implies  that  the  two  families of  SF  reorient 

perpendicular  to  the  cyclic  stretch  direction  over  time  and  results  in  reinforcement.𝜏   is  the 

remodeling  time  scale which depends on  the  stretch amplitude.  The elongation and  reorientation 

dynamics of SF in cells for 10% stretch amplitude over 6 hours (A10T6) is shown in Supplementary 

Video 1. The model provides insights into active SF growth that is accompanied with passive SF re‐

orientational dynamics.  

Model verification using uniaxial stretch data on cells  

We tested the model predictions for changes in SF lengths and angles under uniaxial stretch 

and related their influence on the measured cell stiffness using experimental data. The evolution 

equation  (6)  for  increase  in  length of  SF under  stretch  is  in  agreement with  the experimentally 

measured  observations  (r2  ~0.99).  (Fig.  4a).  The  time  scale  for  growth  of  SF  in  the  model  is 

described using 𝜏  which  is a  function of  the SF properties. We explored changes  in SF growth by 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 10: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

10  

parametrically  varying  𝜏   in  the  model  (Fig.  4c,  d)  for  the  5%  and  10%  stretch  amplitude  and 

compared these results with experimental data; the model predictions match with experimental 

data for 𝜏  =2 hours. The growth law also satisfies the thermodynamic incompatibility condition for 

active biological growth based on various possible fiber angles and experimental duration for different 

stretch amplitudes used in our study (Supplementary information 4). Fig. 4b shows the corresponding 

surface plot for the inequality term (𝑴: 𝑮𝑮 𝟏 ) for 5% stretch amplitude as a function of time as well 

as fiber angles. 𝑴    is the Mandel stress tensor which is a thermodynamic conjugate to the velocity 

gradient,  𝑮𝑮 𝟏 ,  satisfies frame indifference, and is used as a natural descriptor for growth processes 

[31,32 ]. From Fig. 3b, we note that  𝑴: 𝑮𝑮 𝟏  is positive for all possible values of time and fiber angle 

in our model which satisfies the thermodynamic constraints.  

The reorientation law predicts SF orientation under various magnitudes of stretch and time 

duration  using  inputs  corresponding  to  the  mean  SF  angular  distributions.  We  compared  model 

predictions from fiber reorientation law with the experimentally obtained SF orientation distributions 

that were quantified using confocal images for both 5% and 10% cyclic stretch data. The model shows 

a good match with experimental data for increased SF orientational dynamics with higher stretch (Fig. 

5a, b). Remodeling time scale  for SF orientation, 𝜏   ,  increased significantly with the magnitude of 

applied stretch. Experimental results are superposed on the model predictions; these demonstrate a 

good match for 𝜏  =3 hours for 10% stretch and 𝜏  =9 hours for 5% stretch (r2>0.9 for both). That is, 

cells reorient to the orthogonal direction to direction of stretch in a shorter time when subjected to 

higher stretches. Supplementary Fig. S4 shows parametric variations corresponding to various initial 

conditions and times for the SF reorientation law. 

We  calculated  changes  in  the  effective  elastic  modulus,  Eeff,  of  cells  as  function  of  fiber 

reorientation angle and  time  (equations  (8).    Eeff  in  a  given direction  is defined as  the gradient of 

uniaxial tension, N, with respect to the stretch in that direction, is given in terms of the stress‐free 

configuration as 𝐸𝑵 | 𝜆 1 (31) (Supplementary Information‐6). Variations in Eeff with fiber 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 11: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

11  

angles (𝜃 ∈ 0°, 90° 𝑎𝑛𝑑 𝜃 ∈ 90°, 180° ) from the two SF families are shown in Fig. 6a, b. These plots 

show  an  increase  in 𝐸   when  both  families  of  fibers  align  perpendicular  to  the  applied  stretch 

direction. Variations in 𝐸  with time and the stress distributions with variations in fiber angles of two 

SF family (𝜃 𝑎𝑛𝑑 𝜃   ) for 5% and 10% stretch amplitude were also calculated (Fig. 6c, 6d). Stresses 

obtained  from  experimentally  obtained  fiber  distributions  at  various  stretch  amplitude  and  time 

points  using  structure  tensors  based  on  fiber  orientation  distribution  functions  (Supplementary 

Information‐7)  show a  similar  trend as  that predicted by  the model  for  reorientation under  cyclic 

stretch along the minimum stress direction (Fig. 6d). These observations are in good agreement with 

results from by De et al  (33) who suggested that cellular reorientation under uniaxial cyclic stretch 

occured along the minimal matrix stress direction.  

Discussion 

Growth and dynamics of SF networks are important in maintaining cell shape, control of 

cellular mechanical properties and mechanotransduction processes underlying the adhesion and 

migration of cells. The primary aim of this study was to quantify the morphomechanical response 

of fibroblasts under uniaxial cyclic stretch. There are three main implications of this work.  First, 

we show that cyclic stretch induced SF growth and reorientation alters the cellular morphometrics. 

SF elongate based on the amplitude of cyclic stretch; their orientations changed from an initial random 

configuration in unstretched cells to a uniform direction perpendicular to the applied stretch. Cortical actin 

thickness increased with applied stretch which resulted in an increase in the effective elastic modulus of the 

cell measured using AFM. Second, we quantified  the differential  roles  of  actin  and microtubules  in 

cellular  and  nuclear  reorientations  under  stretch.  We  show  that  actin  is  essential  to  the  cellular 

orientation  changes  under  cyclic  stretch  and  contributes  to  the  measured  cell  stiffness;  in  contrast, 

microtubules influence nuclear reorientations. Third, we use a nonlinear, orthotropic, hyperelastic, and 

fiber‐reinforced constitutive model for the cell to elucidate the combined effects of amplitude and 

duration  of  uniaxial  cyclic  stretch  using  a  growth  and  remodeling  framework.  The model  uses  SF 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 12: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

12  

evolution  equations  that  depend  on  the  stretch  amplitude  and  time  and  were  determined 

experimentally to predict the effects of uniaxial cyclic stretch on SF dynamics.  

    Actin growth dynamics is exquisitely sensitive to mechanical stimuli [34,35]. Dense 

branched  actin  networks  grown  on  functionalized  surfaces  demonstrate  nonlinear  mechanical 

responses [34]. Parekh et al [36] measured the force‐velocity relationships of growing actin networks 

in‐vitro using a differential AFM and showed the dependence of actin network growth velocity on the 

history  of  applied  loading. Mechanical  stimuli  like  torsion  and  fluctuations  in  applied  loading  also 

influence  the  growth  of  actin  networks  [37].    These  studies  were  however  reported  on  in  vitro 

preparations  of  isolated  and  purified  actin  networks;  our  results  show  similar  responses  for  actin 

networks in fibroblast cells under stretch. The resulting changes to the material properties of the cells, 

through a process of morphoelasticity, has not been demonstrated earlier at the cellular level. The 

actin  cortex  also  plays  an  important  role  in  maintaining  cellular  shape  [38].  We  show  that  the 

application  of  uniaxial  cyclic  stretch  increases  cortical  actin  thickness  which  reinforces  the 

cytoskeleton and also results  in an  increase  in the cell stiffness (Fig. 2f; Fig 3d).   Hasse and Pelling 

showed the importance of   actin cortex in controlling cellular deformation by applying precise nano 

Newton  forces  [39].  Comparison  of  the  cell  modulus  to  the  actin  network  orientations  based  on 

experimental data and   model predictions show that cells with higher SF dispersions have a more 

compliant response as compared cells with highly aligned SFs (Fig. 2f; Fig 3d) [22,40].  

Uniaxial  cyclic  stretch experiments  in our study show that  the growth realignment of SF  is 

dependent on the amplitude of applied external stretch; SF aligned from a random configuration to a 

uniform direction perpendicular to the direction of cyclic stretch (Fig. 1; Table 1).  The hyperelastic 

model  for  the cell under external  cyclic  stretch  is based on the assumption of  the SF as an elastic 

structure that undergo elongation and realignment. The persistence length for a SF, 𝜉 ,   given as a 

ratio  of  the  bending  stiffness  to  statistical  fluctuations,  is  typically  greater  than  50  µm  [41,42]. 

Filaments with lengths smaller than 𝜉  are flexible and those with greater dimensions are generally 

described using statistical methods to include the effects of thermal fluctuations. The longest SF length 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 13: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

13  

in the fibroblasts  in our study was less than 𝜉  which justified the use of elastic rod approaches to 

model SF growth dynamics. 

           We  used  a  phenomenological  nonlinear,  stretch‐dependent  evolution  equation  for  SF 

elongation that was dependent on time and cyclic stretch amplitude from the experimental results 

(Fig. 3). We used two different time scales in our model to represent changes in the SF length and 

orientation under cyclic uniaxial stretch. The time scale for fiber growth, 𝜏 , is constant and depends 

on the intrinsic properties of the SF. The second time scale, 𝜏  ,  represents SF remodeling time scale 

which is sensitive to applied stretch and decreases with an increase in stretching amplitude (Fig. 4). 

We quantified the individual contributions of SF and microtubules in cellular and nuclear reorientation 

under  stretch  and  show  that  microtubule  depolymerization  did  not  significantly  affect  cellular 

reorientation  response.  However,  actin  depolymerisation  resulted  in  almost  complete  loss  of  the 

cellular reorientation response (Table 2; Supplementary Fig. S3).  These results are in close agreement 

with a previous study by Goldyn et al (17) who showed dependence of force‐induced cell reorientation 

on FA sliding alone and was largely independent of the contributions from microtubule networks. AFM 

indentation experiments in our study also show that the depolymerization of microtubules did not 

change the cellular stiffness under stretch; formation and re‐organization of SFs in response to stretch 

induced cytoskeletal stiffening.  

 Stretch  induced  cytoskeletal  reorganization  has  previously  been  linked  to  stress  or  strain 

homeostasis in the cells [33,43]. Recent studies show that the direction of cell realignment under the 

application of stretch depended on the traction boundary conditions [20]. The reorientation dynamics 

of individual cells under uniaxial cyclic stretch resulted from a minimization of the elastic strain energy 

in  the  cell  [4]. We  used  a morphoelasticity  framework  to  show  that  the  cyclic  stretch  dependent 

cellular  morpho‐mechanical  properties  are  a  result  of  SF  growth  and  reorientation  in  a  direction 

perpendicular  to  the cyclic  stretch direction.  These observations are  in agreement with previously 

published works by De et al who predicted the direction of cellular reorientation along the minimal 

matrix stress direction  [33].   One  limitation  in our model  is we have not considered the effects of 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 14: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

14  

branched networks and have only included straight filaments. SF are thick and stable and generally 

distinguished into four categories as ventral and dorsal SF, transverse arcs, and perinuclear actin cap [44]. 

We have modelled the growth and reorientation dynamics of ventral SF alone and show the importance of 

Sf reinforcement in the measured changes to the mechanical properties of the cell.   

To conclude, we used a novel growth and remodeling framework to study the effects of uniaxial 

cyclic  stretch  in  fibroblasts  using  experimental  stretching  methods  in  combination  with  a  continuum 

mechanics framework. The model uses experimentally motivated evolution equations for SF growth and 

remodeling that have not been reported earlier. We show an increase in the cellular stiffness under cyclic 

stretch which is linked to SF growth and reorientation in a direction orthogonal to the direction of stretch. 

These studies  show the  importance of uniaxial  stretching  in mechanotransduction processes  related  to 

changes in the cytoskeleton which are essential to model diseases like aneurysm growth and fibrosis that 

currently use qualitative representation of the cell under stretch. 

MATERIALS AND METHODS 

1. Design and assembly of the bioreactor for cell stretching 

The custom designed cell stretcher allows for both uniaxial and biaxial stretching with equal 

and different strain rates on each actuator such that the central point for viewing is fixed. We designed 

a novel clamping arrangement to clamp a thin stretchable membrane (width 10mm x length 20mm x 

thickness  150  μm)  between  two  opposite  translating  actuator  arms  for  the  dynamic  stretch 

experiments.  The  clamps were  3D  printed  using  a  biocompatible  acrylic  compound  (Verro White; 

Stratasys) (Supplementary Fig. 1a, b). The cell stretcher was operated using user‐controlled stretch 

amplitude  and  frequency  inputs  over  extended  time  periods  and  placed  within  a  humidified 

temperature‐controlled incubator to maintain sterility. 

 

2. Strain quantification 

Strain quantification experiments were performed to calibrate the novel clamping design for 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 15: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

15  

the specified stretch amplitude during cyclic stretch experiments. In‐plane strains were quantified by 

tracking fiduciary markers in the PDMS (poly di‐methyl siloxane; Sylgard ®184, Dow Corning) sheet, 

mixed in the ratio of 10:1 elastomer to curing agent, using an overhead video camera (Sony HD HDR‐

XR100E). Marker centroids were obtained using segmentation and the corresponding displacements 

were  quantified.  Marker  displacements  from  the  referential  to  the  deformed  configuration  were 

measured  and  the  deformation  gradient,  F,  was  computed  as  F  =  I  +  H,  where 𝐻=𝜕𝑢/𝜕𝑋  is  the 

displacement gradient in the referential configuration. A strain interpolation algorithm, implemented 

using MATLAB (v R2016a), was used to quantify in‐plane Green‐Lagrange strains in the specimen using 

measured values of  the deformation gradients  [27, 48].  These data were used  to define a  central 

homogeneous  region,  where  strains  were  constant  in  the  sample,  and  used  to  quantify  cell 

behaviours. 

3. Cell culture and immunofluorescence staining 

NIH  3T3  fibroblast  cells  were  cultured  in  Dulbecco’s minimum  essential medium  (DMEM; 

Sigma  Aldrich)  supplemented with  10%  fetal  bovine  serum  (GIBCO  BRL)  and  1  vol%  of  penicillin‐

streptomycin (Sigma Aldrich) in a humidified temperature‐controlled incubator (Panasonic Inc.) at 37 

°C and 5% CO2.  The same medium was also used during cyclic stretching experiments performed using 

the custom bioreactor within the incubator. Following stretching experiments, cells were fixed in 4% 

paraformaldehyde, permeabilized  in 0.5% TritonX‐100 (Sigma) solution for 10 minutes and stained 

either for actin using rhodamine phalloidin (Thermofisher 1:200) or microtubules using α‐tubulin FITC 

(Invitrogen 1:200), and a nuclear DAPI counterstain (Thermofisher 1:400).  Samples were imaged using 

a confocal microscope (Leica Microsystems, TCS SP5 II) using 10X, and 63X oil immersion objectives to 

visualize the cytoskeletal organization. 

4.  Uniaxial  cyclic  stretching  of  fibroblasts  in  the  bioreactor  and  cytoskeletal  inhibitor 

treatments 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 16: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

16  

Thin flexible PDMS membranes were used as substrates to culture cells. PDMS was mixed in the ratio 

of  10:1  elastomer  to  curing  agent,  degassed  in  a  vacuum  pump,  and  spin  coated  on  triacetylene 

treated glass slides at 300 rpm and 60 seconds  to yield 150 μm thick sheets. The substrates were 

plasma treated for 2 minutes, incubated with 30μg/ml of fibronectin solution at 37⁰C for 45 minutes, 

and washed twice with PBS. Prepared substrates were incubated with DMEM containing 10% FBS for 

30 minutes followed by seeding of cells.  Cell seeded constructs  were incubated overnight at 37⁰C 

and 5% CO2 to allow cell attachment and were stretched cyclically (5% and 10% amplitude) at 1 Hz for 

varied durations to explore the temporal dependence of stretching on cell alignment (3 hours and 6 

hours). 

To delineate the individual contributions of actin and microtubule in cellular response under 

cyclic  stretch, we  treated  cells with either 0.5 µM concentration of  cytochalasin‐D  (Sigma‐Aldrich; 

USA)  to  depolymerize  actin  or  0.5  µM  concentration  nocodazole  (Sigma‐Aldrich)  to  disrupt 

microtubules  [23]. We  ensured  that  the  same  concentration  of  the  drug  was  present  during  the 

stretching  experiment  to  prevent  possible  repolymerizations  of  actin  and  microtubules  that  may 

contribute to possible artefacts in the experiments. 

5. Quantification of SF orientation under cyclic stretch 

Confocal  images of cells  stained  for actin were analysed using a  custom MATLAB program 

(Mathworks, 2016b) [21,22]. In this procedure, a binarized image of the actin intensity in the cell was 

obtained and represented using a distribution function f(x,y); (x,y) defines a point in the 2‐D image. 

We calculated the Fast Fourier transformation (FFT) of this image as ℱ (𝑓 (𝑥, 𝑦)) =(𝑢,𝑣) where (u,v) 

denotes a point in the Fourier space. The power spectrum of this matrix was obtained by 𝑃 (𝑢, 𝑣) =𝐹 

(𝑢, 𝑣). 𝐹∗  (𝑢, 𝑣),    F*  is  the  complex  conjugate  of  the  function,  F  in  this  expression.  The  SF were 

distinguished based on  the  spatial  frequencies and orientations  in Fourier  space. A wedge‐shaped 

orientation filter was used to quantify the SF orientation distributions (Supplementary Fig. S2) [21].  

6. Measurement of effective modulus of the cell using Atomic Force Microscope (AFM)  

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 17: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

17  

We used a Park Systems XE‐Bio AFM to quantify the effective modulus of the cell using an App 

Nano Hydra 6V‐200NG‐TL silicon dioxide cantilever with an attached spherical bead of diameter 5.2 

μm. The stiffness of the cantilever based on manufacturer sheet was 0.045 N/m and was determined 

to be 0.041 N/m using thermal tuning method.  Specific locations for indentations were selected using 

the cell topography to be approximately equidistant from the nucleus and the cell edge to minimize 

the  influence of  the nucleus.  Indentation experiments were performed  for  each  cell  using  cells  in 

Hank’s balanced salt solution and the corresponding force‐displacement curves for each location were 

used  to  quantify  the  effective  Young’s  modulus  of  the  cell  using  the  material  properties  of  the 

cantilever and a modified Hertzian contact mechanics model [24]. The force curve corresponding to 

the approach of the tip towards the substrate was measured and a constant indentation depth of 1 

μm was maintained. For indentation experiments on cells treated with cytoskeletal depolymerizers, 

we  ensured  that  the  optimum  concentration  of  the  specific  drug  was  present  throughout  the 

experiment.  

 

References 

1.  Robertson, A. M. & Watton, P. N. Mechanobiology of the arterial wall. Transp. Biol. Media 275–347 (2013). Doi:10.1016/B978‐0‐12‐415824‐5.00008‐4 

2.  Hsu,  H.‐J.,  Lee,  C.‐F.,  Locke,  A.,  Vanderzyl,  S.  Q.  &  Kaunas,  R.  Stretch‐induced  stress  fiber remodeling and the activations of jnk and erk depend on mechanical strain rate, but not fak. Plos one 5, e12470 (2010). 

3.  Humphrey, J. D. & Rajagopal, K. R. A constrained mixture model for growth and remodeling of soft tissues. Math. Model. Methods Appl. Sci. 12, 407–430 (2002). 

4.  Livne, A., Bouchbinder, E. & Geiger, B. Cell reorientation under cyclic stretching. Nat. Commun. 5, 1–8 (2014). 

5.  Balaban, N. Q. et al.  Force  and  focal  adhesion assembly:  a  close  relationship  studied using elastic micropatterned substrates. Nat. Cell Biol. 3, 466–472 (2001). 

6.  Cirka, H. et al. Active Traction Force Response to Long‐Term Cyclic Stretch Is Dependent on Cell Pre‐stress. Biophys. J. 110, 1845–1857 (2016). 

7.  Perrault, C. M. et al. Traction Forces of Endothelial Cells under Slow Shear Flow. Biophys. J. 109, 1533–1536 (2015). 

8.  Buck, R. C. Reorientation response of cells to repeated stretch and recoil of the substratum. Exp. Cell Res. 127, 470–474 (1980). 

9.  Wang, J. H.‐C., Goldschmidt‐Clermont, P., Wille, J. & Yin, F. C.‐P. Specificity of endothelial cell 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 18: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

18  

reorientation in response to cyclic mechanical stretching. J. Biomech. 34, 1563–1572 (2001). 

10.  Hayakawa, K., Sato, N. & Obinata, T. Dynamic reorientation of cultured cells and stress fibers under mechanical stress from periodic stretching. Exp. Cell Res. 268, 104–114 (2001). 

11.  Chen, Y., Pasapera, A. M., Koretsky, A. P. & Waterman, C. M. Orientation‐specific responses to sustained uniaxial stretching in focal adhesion growth and turnover. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110, E2352‐61 (2013). 

12.  Geiger, B., Spatz, J. P. & Bershadsky, A. D. Environmental sensing through focal adhesions. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10, 21–33 (2009). 

13.  Greiner, A. M., Chen, H., Spatz, J. P. & Kemkemer, R. Cyclic tensile strain controls cell shape and directs actin stress fiber formation and focal adhesion alignment in spreading cells. PLoS One 8, (2013). 

14.  Krishnan,  R. et  al.  Substrate  stiffening  promotes  endothelial monolayer  disruption  through enhanced physical forces. Am. J. Physiol. Physiol. 300, C146–C154 (2011). 

15.  Nekouzadeh, A., Pryse, K. M., Elson, E. L. & Genin, G. M. Stretch‐activated force shedding, force recovery,  and  cytoskeletal  remodeling  in  contractile  fibroblasts.  J.  Biomech.  41,  2964–71 (2008). 

16.  Cui, Y. et al. Cyclic stretching of soft substrates induces spreading and growth. Nat. Commun. 6, 6333 (2015). 

17.  Goldyn,  A.  M.,  Rioja,  B.  A.,  Spatz,  J.  P.,  Ballestrem,  C.  &  Kemkemer,  R.  Force‐induced  cell polarisation  is  linked  to RhoA‐driven microtubule‐independent  focal‐adhesion sliding.  J. Cell Sci. 122, 3644–3651 (2009). 

18.  Jungbauer, S., Gao, H., Spatz, J. P. & Kemkemer, R. Two characteristic regimes in frequency‐dependent dynamic reorientation of fibroblasts on cyclically stretched substrates. Biophys. J. 95, 3470–3478 (2008). 

19.  Kaunas, R., Nguyen, P., Usami, S. & Chien, S. Cooperative effects of Rho and mechanical stretch on stress fiber organization. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 15895–900 (2005). 

20.  Chen, K. et al. Role of boundary conditions in determining cell alignment in response to stretch. Proc. Natl. Acad. Sci. 115, 986 LP‐991 (2018). 

21.  Schriefl,  A.  J.,  Reinisch,  A.  J.,  Sankaran,  S.,  Pierce,  D.  M.  &  Holzapfel,  G.  A.  Quantitative assessment  of  collagen  fibre  orientations  from  two‐dimensional  images  of  soft  biological tissues. J. R. Soc. Interface 9, 3081–3093 (2012). 

22.  Kulkarni, A. H., Chatterjee, A., Kondaiah, P. & Gundiah, N. TGF‐ β  induces changes  in breast cancer cell deformability. Phys. Biol. 15, 065005 (2018). 

23.  Barreto, S., Clausen, C. H., Perrault, C. M., Fletcher, D. A. & Lacroix, D. A multi‐structural single cell model of force‐induced interactions of cytoskeletal components. Biomaterials 34, 6119–6126 (2013). 

24.  Darling, E. M., Zauscher, S., Block, J. A. & Guilak, F. A thin‐layer model for viscoelastic, stress‐relaxation testing of cells using atomic force microscopy: do cell properties reflect metastatic potential? Biophys. J. 92, 1784–1791 (2007). 

25.  Rodriguez, E. K., Hoger, A. & McCulloch, A. D. Stress‐dependent  finite growth  in soft elastic tissues. J. Biomech. 27, 455–467 (1994). 

26.  Merodio, J. & Ogden, R. W. Material instabilities in fiber‐reinforced nonlinearly elastic solids under plane deformation. Arch. Mech. 54, 525–552 (2002). 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 19: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

19  

27.  Gundiah, N., Ratcliffe, M. B. & Pruitt, L. A. The biomechanics of arterial elastin. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2, 288–296 (2009). 

28.  Melnik,  A.  V.  &  Goriely,  A.  Dynamic  fiber  reorientation  in  a  fiber‐reinforced  hyperelastic material. Math. Mech. Solids 18, 634–648 (2013). 

29.  Göktepe, S., Abilez, O. J., Parker, K. K. & Kuhl, E. A multiscale model for eccentric and concentric cardiac growth through sarcomerogenesis. J. Theor. Biol. 265, 433–442 (2010). 

30.  Menzel, A. Modelling of anisotropic growth in biological tissues. Biomech. Model. Mechanobiol. 3, 147–171 (2005). 

31.  Goriely,  A. The Mathematics  and Mechanics  of  Biological  Growth. 45,  (Springer  New  York, 2017). 

32.  Imatani, S. & Maugin, G. . A constitutive model for material growth and its application to three‐dimensional finite element analysis. Mech. Res. Commun. 29, 477–483 (2002). 

33.  De, R., Zemel, A. & Safran, S. A. Dynamics of cell orientation. Nat. Phys. 3, 655–659 (2007). 

34.  Bauër, P. et al. A new method to measure mechanics and dynamic assembly of branched actin networks. Sci. Rep. 7, 15688 (2017). 

35.  Bernheim‐Groswasser, A., Wiesner, S., Golsteyn, R. M., Carlier, M.‐F. & Sykes, C. The dynamics of actin‐based motility depend on surface parameters. Nature 417, 308–311 (2002). 

36.  Parekh, S. H., Chaudhuri, O., Theriot,  J. A. & Fletcher, D. A.  Loading history determines  the velocity of actin‐network growth. Nat. Cell Biol. 7, 1119–1123 (2005). 

37.  Shaevitz, J. W. & Fletcher, D. A. Load fluctuations drive actin network growth. Proc. Natl. Acad. Sci. 104, 15688–15692 (2007). 

38.  Salbreux,  G.,  Charras,  G.  &  Paluch,  E.  Actin  cortex mechanics  and  cellular  morphogenesis. Trends Cell Biol. 22, 536–545 (2012). 

39.  Haase, K. & Pelling, A. E. The role of the actin cortex in maintaining cell shape. Commun. Integr. Biol. 6, e26714 (2013). 

40.  Gavara,  N.  &  Chadwick,  R.  S.  Relationship  between  cell  stiffness  and  stress  fiber  amount, assessed  by  simultaneous  atomic  force  microscopy  and  live‐cell  fluorescence  imaging. Biomech. Model. Mechanobiol. 15, 511–523 (2016). 

41.  Boal,  D.  Mechanics  of  the  Cell.  (Cambridge  University  Press,  2012). doi:10.1017/CBO9781139022217 

42.  Hwang, Y. & Barakat, A.  I. Dynamics of mechanical  signal  transmission  through prestressed stress fibers. PLoS One 7, e35343 (2012). 

43.  Kaunas,  R.,  Hsu,  H.‐J.  &  Deguchi,  S.  Sarcomeric  model  of  stretch‐induced  stress  fiber reorganization. Cell Health Cytoskelet. 3, 13 (2010). 

44.  Tojkander, S. et al. A molecular pathway for myosin ii recruitment to stress fibers. Curr. Biol. 21, 539–550 (2011). 

45.  Livne, A. & Geiger, B. The inner workings of stress fibers ‐ from contractile machinery to focal adhesions and back. J. Cell Sci. 129, 1293–304 (2016). 

46.  Hotulainen, P. & Lappalainen, P.  Stress  fibers are generated by  two distinct  actin assembly mechanisms in motile cells. J. Cell Biol. 173, 383–94 (2006). 

47.  Luxton, G. W. G., Gomes, E. R., Folker, E. S., Vintinner, E. & Gundersen, G. G. Linear arrays of nuclear envelope proteins harness retrograde actin flow for nuclear movement. Science 329, 956–9 (2010). 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 20: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

20  

48.  Agrawal, V., Kollimada, S. A., Byju, A. G. & Gundiah, N. Regional variations in the nonlinearity and anisotropy of bovine aortic elastin. Biomech. Model. Mechanobiol. 12, 1181–1194 (2013). 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 21: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

21  

List of Figures 

1) Figure 1. Fibroblast cells, cultured on PDMS membranes and subjected to uniaxial cyclic stretch 

(1  Hz)  for  different  durations,  were  fixed  and  imaged  to  visualize  actin  (red), microtubules 

staining (green), and the nuclei (blue). The direction of cyclic uniaxial stretch is indicated using 

an arrow. Stretch amplitude  (X % elongation) and duration of  the experiment  (Y  in hrs)  are 

represented  as  AXTY. Unstretched  cells  on PDMC membranes were  used  as  controls  in  the 

study. Scale bar represents 50 m. 

2) Figure 2a. F‐actin (red), microtubule (green) and DAPI nucleus (blue) stained merged confocal 

images  of  control  fibroblasts  on  unstretched  PDMS  membranes.  b.  Fibroblasts  on 

unidirectionally  stretched  PDMS membranes  at  10%  amplitude  for  6  hours  (A10T6).  c.  The 

angular orientation of the nucleus was quantified under unidirectional cyclic stretch (1 Hz) with/ 

without cytochalasin‐D and nocodazole. No significant nuclear reorientation was observed with 

depolymerization  of  microtubules;  the  re‐orientational  response  was  also  reduced  in  cells 

following actin depolymerization d. Cyclic stretch  (A10T6)  induced  fibroblast elongation was 

quantified using the major axis of the cell. e. The cell aspect ratio increased under unidirectional 

cyclic stretch. f. AFM was used to measure the effective elastic modulus of cells, subjected to 

cyclic stretch in the presence and absence of cytoskeletal disruptors, and are shown for control 

cells (unstretched and un‐treated) and cells stretched using 10% amplitude for 6 hours (A10T6; 

n=25 each group). Significant differences between the different groups are indicated for p<0.01 

(**) and p<0.05 (*). 

3) Figure  3  a.  Confocal  image  of  fibroblast  stained  with  phalloidin  to  visualize  actin.  b.  The 

corresponding binarized image of the cell was fit to an ellipse and the intensity distributions 

were  calculated  at  three  equidistant  transverse  sections  along  the  major  cell  axis.  c.  A 

representative  image of  cortical actin  intensity,  calculated at one of  the  transverse  sections 

along major axis, is shown d. The full width at half maxima (FWHM) was calculated to compute 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 22: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

22  

the actin cortex thickness e. The peak intensity of cortical actin  in cells subjected to uniaxial 

cyclic  stretch  increased  under  stretch  (A10T6)  f.  The  total  actin  fluorescence  intensity  in 

cyclically stretched cells (A10T6) also increased as compared to unstretched controls. Significant 

differences  in  comparisons  between  the  different  groups  are  indicated  for  p<0.01  (**)  and 

p<0.05 (*). 

4) Figure 4a. Changes in SF lengths under cyclic stretch (5% amplitude and 10% amplitude) were 

calculated  from  experimental  values  (mean  ±  SEM)  and  were  used  to  obtain  the  growth 

evolution law for SF (equation (6)). The unknown constants in the equation were obtained by 

fitting the experimental data to equation (6) (r2 = 0.99). b. Thermodynamic inequality for active 

growth process was assessed as a function of experiment duration and SF orientation. c. & d.  

The growth time scale  (𝜏 ) was parametrically varied  in the SF growth model  for 5% stretch 

(black) and 10% stretch (red). Experimental results are also plotted on the figures using black 

and solid circles for 5% and 10% amplitude.  

5) Figure  5a  &  b.  The  computed  SF  reorientation  under  cyclic  uniaxial  stretch  agreed  with 

experimental observations which demonstrates the importance of SF remodeling time scale (𝜏 ) 

as  a  function  of  the  stretch  amplitude.  𝜏   was  9  hours  for  5%  and  3  hrs  for  10%  stretch 

respectively (r2 > 0.9 for each) 

6)  Figure 6a & b. Changes to the effective elastic modulus, Eeff, of the cell (in Pa), subjected to 5% 

and 10% amplitude uniaxial  cyclic  stretch, were measured  and  are  plotted  as  a  function  SF 

alignment  angle.  c.  Changes  in  Eeff  based  on  the  model  are  shown  as  a  function  of  SF 

reorientation under cyclic stretch (5% stretch in red and 10% stretch shown in blue). d. Changes 

in cell tractions (T11) under uniaxial stretch from the model calculations are compared with the 

experimental results.  

 

 

 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 23: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

23  

List of Tables 

1) Table I: Distribution of the angular orientations (Mean ± SEM) and lengths (Mean ± SEM) are 

shown for fibroblasts on PDMS membranes and subjected to uniaxial cyclic stretch (1 Hz). The 

stretch amplitude (X % elongation) and duration of the experiment (Y in hrs) are represented as 

AXTY.  

2) Table 2. The effect of cytoskeletal inhibitors (cytochalasin‐D and nocodazole) on the cells under 

uniaxial  cyclic  stretch  were  assessed  using  the  SF  angular  orientation  (Mean  ±  SEM)  for 

fibroblasts cultured on PDMS membranes. 

 

 

 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 24: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

24  

Figure 1 

 

 

 

 

 

 

 

   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 25: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

25  

Figure 2 

 

 

 

 

 

 

 

   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 26: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

26  

Figure 3 

   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 27: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

27  

Figure 4 

 

 

 

 

   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 28: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

28  

Figure 5 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 29: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

29  

Figure 6 

 

 

 

 

 

 

 

 PEAK AVERAGE ANGLES 

(°) 

Control  43.6 and 150.9

5% for 3 hours 51.8 and 148.9 

5% for 6 hours 76.05 and 127.5

10% for 3 hours 72.7 and 115.2

10% for 6 hours 79.85 and 99.17

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 30: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

30  

Table I  

 SF angles (°) 

(Mean ± SEM) 

SF length (µm) 

(Mean ± SEM) 

Control  43.6 ± 4.9 & 150.9 ± 7.9 25.1 ± 1.6 

A5T3  51.8 ± 5.3 & 148.9 ± 4.9 28.3 ±1.7 

A5T6  76.2 ± 7.5 & 127.5 ± 5.5 32.5 ± 2.2 

A10T3  72.7 ± 7.6 & 115.2 ± 7.3 31.1 ± 1.7 

A10T6  79.9 ± 2.8 & 99.2 ± 1.4 58.5 ± 3.6 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 31: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

31  

 

 

Table 2  

 Untreated

(Mean ± SEM) 

Cytochalasin‐D

(Mean ± SEM) 

Nocodazole

(Mean ± SEM) 

Unstretched 

Control 

43.6 ±4.9 & 150.9 ±7.9 37.7± 5.7 & 154.1± 12.2 46.4 ±5.9 & 175.8±13.3

A5T6  76.2 ±7.5 & 127.5±5.5 40.7± 6.3 & 150± 7.5 50.2± 5.1 & 118± 7.9

A10T6  79.85± 2.8 & 99.2± 7.6 48.1 ±5.3 & 146.7± 7.5 90± 9.9 & 123.6±1.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 32: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

32  

 

 

List of Supplementary Figures 

1) Figure S1 a & b.  Custom designed cell stretcher and bioreactor. A thin PDMS membrane is 

held using custom designed clamps  in  the 3D printed bioreactor  that may be subjected  to 

uniaxial or biaxial stretching. c Quantification of Green‐Lagrange strains under uniaxial cyclic 

strain  (15%  amplitude)  are  shown  for  the  custom  designed  clamps  using  particle  tracking 

algorithm  using  computed  strain  displacements  based  on  the  underlying  markers  on  the 

substrate. 

2) Figure S2. a. Confocal images show an individual 3T3 fibroblast cell, stained with phalloidin to 

visualize SF and DAPI to identify the nucleus. b. Corresponding binarized image of the confocal 

image  is  shown.  c.  The  computed  Fourier  power  spectrum was  obtained  using  the  binary 

image d. Distribution of SF in the cell was calculated using their spatial frequency distribution. 

3) Figure S3. Angular orientation of the SF (Mean ± St. Dev) under unidirectional cyclic stretch (1 

Hz) with and without cytoskeletal disruptors (cytochalasin‐D and nocodazole) 

4) Figure S4. Parametric study of the SF reorientation model for various remodeling time scale 

(𝜏 ) in hours. 

 

 

 

 

 

 

 

 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 33: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

33  

Supplementary Figure S1 

 

 

   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 34: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

34  

 Supplementary Figure S2 

 

 

 

 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 35: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

35  

Supplementary Figure S3 

  

 

 

 

   

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 36: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

36  

 Supplementary Figure S4 

 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 37: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

37  

SUPPLEMENTARY INFORMATION  

 

1. Thin layer, finite thickness Hertzian model to compute the effective elastic modulus  

The force measured during  indentation on the cell  (F)  is  related to the  indentation 

depth of the cantilever tip, δ, as [1] 

𝐹 /

                                                                      (1) 

  is  the  Poisson’s  ratio,  E  is  the  Young’s modulus,  and  Rtip  is  the  radius  of  the  spherical 

cantilever  tip.  The  cell  was  assumed  to  be  incompressible  with    =  0.5.  The  tip‐sample 

separation, Δ, is related to indentation depth, δ, by a constant, C, and is given by δ =C – ∆ [2]. 

Using this expression, we modify the Hertzian relation as 

  𝐹 / 𝐾 /

. ∆                                                         (2) 

K  is another constant and depends on both the coordinates of the substrate contact point 

with the cantilever tip and the geometry of the tip. E can be directly calculated as a scaled 

slope  of  the  linear  relation  of  the  F2/3‐Δ  curve.  The  point  of  maximum  slope  change 

accompanied with change in sign of the force is considered to be the point of contact of the 

cantilever tip with the cell. The force data is divided into a region prior to the contact point of 

the cantilever tip with the cell and a region after contact. r2 values were calculated for each 

of the raw data curves to estimate the goodness of the linear fit; values with the mean r2 value 

higher than 0.9 are reported in this study. 

The calculated values of E were normalized using a thin layer, finite thickness Hertz 

contact  model  to  determine  the  elastic  modulus  of  soft  materials  [3].  The  force  (F)‐

displacement (δ) relationship is given as 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 38: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

38  

 

𝐹 ⁄

𝛿 1 𝜒 𝜒

𝛼 𝛽 𝜒 𝛼 𝛽 𝜒          (3) 

𝑅1

𝑅2ℎ

𝐴𝑛𝑑 𝜒√𝑅𝛿

ℎ  

In  this expression, h  is  cell height, µ  is  the Poisson’s  ration and the constants α and β are 

functions of µ. 

𝛼 . . .          &  𝛽 . . .

        (4) 

The heights of the cells were taken to be 7 μm based on Z‐stacks of confocal images. For this 

analysis, δ = 1 μm (~14% of the total cell height) for all data which lies within the 4 ‐30% range 

of the cell height reported in literature that are required for the equations to be used for such 

studies. 

2.   Constitutive modelling of fibroblast in a morphoelastic framework 

We  use  a  fiber‐reinforced  orthotropic  hyperelastic  material  model  to  quantify  the  SF 

reorientation dynamics of fibroblasts under cyclic stretch. Our results show distinct growth 

and reorientation of the SF along a near perpendicular direction perpendicular to stretch. We 

also observe remodeling, in terms of increased cell stiffness and change in effective elastic 

modulus, in the fibroblasts following cyclic stretch. The strain energy density function of the 

cell combines a neo‐Hookean response for the cytoplasm and a ‘standard reinforcing model’ 

[4,5] for the two families of SF in the cell, as obtained from our experimental observations. 

The direction of fiber orientation is obtained from the angular distributions of SF from two 

term Gaussian distribution functions. 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 39: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

39  

The deformation gradient, F, is written in terms of a multiplicative decomposition of the 

growth tensor, G and the elastic deformation tensor, A, in the framework of morphoelasticity 

[6].  

𝑭 𝑨. 𝑮 where 𝑭𝒊𝒋𝝏𝒙𝒊

𝝏𝑿𝒋                                                   (5) 

The  strain  energy  density  function  of  the  cell  is  expressed  as  a  function  of  the  elastic 

deformation A, such that, 

𝑊 𝐴 𝑊 𝑊 𝐼 3 𝐼 1 𝐼 1           (6) 

Where 𝜇 refers to the shear modulus (𝜇 0) and 𝛼 is a measurement of the additional fiber 

reinforcement (𝛼 0).  The strain energy function also satisfies the condition [7] 

𝑊 𝑪 , 𝑴𝒐𝒊 𝑊 𝑸 𝑪 𝑸, 𝑸 𝑴𝒐

𝒊 𝑸                                           (7) 

 The  structure  tensor  is  given  as 𝑴𝟎𝒊 𝒎𝒐

𝒊 ⊗ 𝒎𝒐𝒊 ,  where  𝒎𝒐

𝒊   denotes  the  stress  fiber 

distributions.  𝑪 𝑨𝑻𝑨  [8]  and  𝑸  is  an  arbitrary  orthogonal  second‐order  tensor.  The 

invariants used in the strain energy function are given as: ‐ 

𝑰𝟏 𝒕𝒓 𝑪𝑬                   𝑰𝟐𝟏

𝟐𝒕𝒓 𝑪𝑬 𝟐 𝒕𝒓 𝑪𝑬𝟐

        𝑰𝟑 𝒅𝒆𝒕 𝑪𝑬               (8) 

𝑰𝟒 𝒎𝒐𝟏. 𝑪𝑬𝒎𝒐

𝟏              𝑰𝟔 𝒎𝒐𝟐. 𝑪𝑬𝒎𝒐

𝟐 

We  consider  the  biological  cell  as  an  incompressible material,  such  that 𝑑𝑒𝑡 𝑨 1.  For 

uniaxial stretch, the elastic deformation tensor, 𝑨 is given by 

𝑨

𝜆 0 00

√0

0 0√

                                                               (9) 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 40: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

40  

where 𝜆 is the magnitude of stretch applied along X‐axis.  The Cauchy stress can be computed 

as a function of the elastic deformation 𝑨, using the relation [9]: ‐ 

𝑻 𝑝𝑰 2𝑨 𝝏

𝑪𝑨                                                    (10) 

Where p refers to the Lagrange multiplier due to incompressibility assumption.  

The condition for mechanical equilibrium is given by 𝜵. 𝑻 0. In our model, the uniaxial cyclic 

stretch is applied in the X‐direction and the cell is adhered on the substrate in the X‐Y plane. 

Therefore, the unit vector along the direction SF is given as 

𝒎𝒐𝟏 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝒆𝟏 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝒆𝟐 (11) 

𝒎𝒐𝟐 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝒆𝟏 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝒆𝟐 

 Using the above relations, we can compute the following identities 

𝝏𝑰𝟏

𝝏𝑪= 0,  

𝝏𝑰𝟒

𝝏𝑪=𝒎𝒐

𝟏 ⊗ 𝒎𝒐𝟏   and      

𝝏𝑰𝟔

𝝏𝑪=𝒎𝒐

𝟐 ⊗ 𝒎𝒐𝟐                                     (12) 

Substituting these expressions, the constitutive equation for the cell can be written as 

𝑻 𝑝𝑰 𝑨 𝜇𝑰 𝜇𝛼 𝟐 𝐼 1 𝒎𝒐𝟏 ⊗ 𝒂𝒐

𝟏 2 𝐼 1 𝒎𝒐𝟐 ⊗ 𝒎𝒐

𝟐  𝑨𝑻           (13) 

The corresponding tractions for the cell in the directions of 𝒆𝟏, 𝒆𝟐 and 𝒆𝟑 are computed as  

𝒕𝒊 𝑻𝒊𝒊𝒆𝒊 

𝑡 𝑝 𝜇 𝜆 2𝛼 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 2𝛼 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃

𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃   

𝑡 𝑝 𝜇 𝜆 2𝛼 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 2𝛼 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃

𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃   

𝑡 𝑝 𝜇 𝜆                                 where               𝜆 𝜆 ; 𝜆 𝜆√

                       (14) 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 41: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

41  

3. Growth Law for evolution in the SF length under cyclic uniaxial stretch  

 We propose a growth law for the SF under uniaxial cyclic stretch as a combined function of 

both the stretch amplitude and experimental duration. 

𝛾 𝑓 𝜆 𝑓 𝑡                                                                  (15) 

Based on our experimental observation, we formulate an evolution law for the increase in 

length of SF under cyclic stretch as 

𝛾 143 𝜆 1 3.8 𝜆 1 𝑒 / 𝑐                           (16) 

. 𝑒 /  

The parameters are obtained by curve‐fitting to the experimental data, where c= is a constant 

indicative of the length of SF in unstretched cells, 𝜏 is equivalent to a growth time scale of the 

cell; 𝜆 is the corresponding stretch and t is time. 

Based on the growth law of the SF under stretch, we now construct the growth tensor for the 

growth of a single actin stress fiber in the cylindrical co‐ordinate system: 

𝑮𝒓 𝜽 𝒛 𝑰 𝛾 1 𝒆 ⨂ 𝒆                                             (17) 

𝛾 corresponds to the growth of actin SF in the radial direction.  We can then transform 𝐺  

from the cylindrical co‐ordinate system to Cartesian using the transformation: ‐ 

𝑮𝒙 𝒚 𝒛 𝑸. 𝑮𝒓 𝜽 𝒛. 𝑸𝑻 𝒘𝒉𝒆𝒓𝒆 𝑸𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 0𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 00 0 1

                (18) 

 

 

4. Thermodynamic Constraints on the Growth Law 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 42: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

42  

Thermodynamic  restrictions  on  the  growth  law  were  computed  from  the  Claussius–

Duhem inequality using the standard the Coleman–Noll procedure. Neglecting temperature 

gradients, the thermodynamic inequality for active growth processes is written as [ 10]: ‐ 

𝑴: 𝑮 𝟏𝑮 𝐽 ℎ 0                                                    (19) 

M is the Mandel stress tensor; 𝑀 𝐽 𝐴 𝑇𝐴  and the entropy contribution in the process 

is given by ℎ. In our case 𝐽 =1 due to incompressibility. We consider the SF as a network non‐

Gaussian  chain  and use  a  statistical  treatment of  randomly  jointed  chains  to quantify  the 

change in entropy [11] under uniaxial tension   𝜆 𝜆 ; 𝜆 𝜆√

 

ℎ 𝑘𝑁

                      (20) 

𝑛 is the number of links in one chain and 𝑙 corresponds to the length of each link.  The ratio  

  is a measure of the fractional extension of the chain;  𝑟   is the mean square  length of 

chains in unstrained state. 𝑘 is the Boltzmann constant and N refers to the number of chains 

in the network. This term is much smaller in magnitude as compared to the 𝑀: 𝑮 𝟏𝑮  term 

and is hence neglected in the remaining calculations. 

5. Dynamics of SF remodeling under cyclic stretch  

Uniaxial cyclic stretching of cells causes reorientation along a near‐perpendicular direction 

to the direction of applied stretch. The reorientation dynamics is dependent on the stretch 

amplitude  as  well  as  the  duration  of  stretch.  Based  on  our  observations,  we  propose  a 

reorientation law for the SF (7,12) 

𝒎𝒐𝒊

𝒏 𝒏. 𝒎𝒐𝒊 𝒎𝒐

𝒊                                              (21) 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 43: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

43  

 The  vector  n  represents  the  unit  vector  along  the  direction  of  preferred  cytoskeletal 

orientation under stretch, which is along Y‐axis (e2) (when the cyclic stretch is applied along 

X‐axis). The term  𝑡   refers to a remodeling time scale which also depends on the amplitude 

of cyclic stretch. Using this reorientation law, we can predict the remodeling dynamics of actin 

stress fiber in cells under different stretch amplitude and duration. Using the equations for 

𝒎𝒐𝒊 the reorientation law becomes   

 = 

𝑐𝑜𝑠 𝜃                                                     (22) 

6.  Changes in the effective Young’s modulus of the cell due to stress fiber remodeling 

We quantified the effective Young’s modulus along the direction of SF reorientation (i.e 𝒆 ) 

as the gradient of uniaxial tension, N, with respect to the stretch in that direction (10) 

𝑬𝒆𝒇𝒇|𝒆𝟐𝝏𝑵

𝝏𝝀𝟐| 𝝀𝟏 𝝀𝟐 𝟏  (23) 

Where N= 𝑡 𝑎𝑛𝑑 𝑡 𝑡 0. From the constitutive equation, we can therefore write the 

tractions along the 𝒆 , 𝒆𝟐 and 𝒆 direction as 

𝑡 𝑝 𝜇 𝜆 2𝛼 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃

2𝛼 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃  

𝑡 𝑝 𝜇 𝜆 2𝛼 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃

2𝛼 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃  

𝑡 𝑝 𝜇 𝜆                                                   (24) 

Using the expressions of 𝑡 , 𝑡  and 𝑡  , we write two additional terms as 

𝐴 + 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 (𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ‐𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 )+ 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃

𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 (𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ‐𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 )                                                              

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 44: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

44  

𝐵  +   +  𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 (𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃

𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 )+ 𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 1 (𝜆 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜆 𝑠𝑖𝑛 𝜃 )                                                                       

(25) 

Using the expressions of 𝐴  and 𝐵      we compute the term 𝝏𝝀𝟏

𝝏𝝀𝟐 and using 

equation (23) we obtain the expression of  

µ 𝐸 |𝑒 =                  (26) 

From this expression at 𝜃=90°; we obtain 𝐸 |𝒆 =𝜇 3 8𝛼   .  The parameters µ and α are 

obtained  by  equating with  the  experimentally  obtained  Young’s modulus  values  obtained 

from the AFM indentation experiments. 

7. Formulation of generalized structure tensor based on distributed fiber orientations 

We  quantified  the  angular  orientation  of  the  distributed  SF  in  the  cell  using  a  two  term 

Gaussian distribution function. The orientation distribution function  𝜌 𝒎𝒐𝒊 𝜃  is based on 

the distribution of fibers in their referential configuration.    

𝒎𝒐𝒊 𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝒆𝟏 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝒆𝟐                                                  (27) 

The Gaussian distribution has a symmetry requirement  𝜌 𝒎𝒐𝒊 𝜃 ≡ 𝜌 𝒎𝒐

𝒊 𝜃  and is 

also normalized such that 

𝜌 𝒎𝒐𝒊 𝜃 𝑑𝜃

√𝑒 𝑑𝜃 1                               (28) 

Based on these distributions we formulate a generalized symmetric structure tensor using the 

relation [13]: 

𝑯 𝜌 𝒎𝒐𝒊 𝜃 . 𝒎𝒐

𝒊 𝜃 ⊗ 𝒎𝒐𝒊 𝜃 𝑑𝜃                                  (29) 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 45: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

45  

Where 𝑖 ∈ 1,2  for the two families of distributed SF. Components of the structure tensor 

H are calculated as: 

𝐻 cos 𝜃 1

𝜎√2𝜋𝑒 𝑑𝜃 

𝐻 sin 𝜃 1

𝜎√2𝜋𝑒 𝑑𝜃 

𝐻 cos 𝜃 sin 𝜃 √

𝑒 𝑑𝜃                                       (30) 

Because H is symmetric, 𝐻 𝐻  , and the other terms are zero. Using the structure 

tensor for the distributed fiber reorientations we write the constitutive equation as: 

𝑻 𝑝𝑰 𝑨 𝜇𝑰 𝜇𝛼 𝟐 𝐼 1 𝐻 2 𝐼 1 𝐻  𝑨𝑻                      (31) 

Where 𝐼 and 𝐼  can be re‐calculated using 𝐻 as 

𝐼 𝑪 : 𝑯 𝑎𝑛𝑑 𝐼 𝑪 : 𝑯 (32) 

 

    

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint

Page 46: Stress fiber growth and remodeling determines cellular ...Aritra Chatterjee1, Paturu Kondaiah2, Namrata Gundiah*1,3 1Centre for Biosystems Science and Engineering, 2Department of Molecular

46  

References  

1.  Johnson,  K.  L.  Contact  Mechanics.  (Cambridge  University  Press,  1985). 

doi:10.1017/CBO9781139171731. 

2.  Guo, S. & Akhremitchev, B. B. Packing density and structural heterogeneity of insulin 

amyloid fibrils measured by afm nanoindentation. (2006). doi:10.1021/bm0600724 

3.  Dimitriadis, E. K., Horkay, F., Maresca, J., Kachar, B. & Chadwick, R. S. Determination of 

elastic  moduli  of  thin  layers  of  soft  material  using  the  atomic  force  microscope. 

Biophys. J. 82, 2798–2810 (2002). 

4.  Qiu, G. Y. & Pence, T. J. Loss of ellipticity in plane deformation of a simple directionally 

reinforced incompressible nonlinearly elastic solid. J. Elast. 49, 31–63 (1997). 

5.  Merodio, J. & Ogden, R. W. Material instabilities in fiber‐reinforced nonlinearly elastic 

solids under plane deformation. Arch. Mech. 54, 525–552 (2002). 

6.  Rodriguez, E. K., Hoger, A. & McCulloch, A. D. Stress‐dependent finite growth in soft 

elastic tissues. J. Biomech. 27, 455–467 (1994). 

7.  Melnik, A. V. & Goriely, A. Dynamic fiber reorientation in a fiber‐reinforced hyperelastic 

material. Math. Mech. Solids 18, 634–648 (2013). 

8.  Göktepe, S., Abilez, O. J., Parker, K. K. & Kuhl, E. A multiscale model for eccentric and 

concentric  cardiac  growth  through  sarcomerogenesis.  J.  Theor.  Biol.  265,  433–442 

(2010). 

9.   Vandiver, R. M. Morphoelasticity: the mechanics and mathematics of elastic growth. 

144 (2009). doi:10.1109/ICTAI.2005.64 

10.  Goriely, A. The mathematics and mechanics of biological growth. (Springer, 2017). 

11.  Treloar, L. R. G. The physics of rubber elasticity. (Clarendon Press, 2005). 

12.  Menzel,  A.  Modelling  of  anisotropic  growth  in  biological  tissues.  Biomech.  Model. 

Mechanobiol. 3, 147–171 (2005). 

13.  Gasser, T. C., Ogden, R. W. & Holzapfel, G. A. Hyperelastic modelling of arterial layers 

with distributed collagen fibre orientations. J. R. Soc. Interface 3, 15–35 (2006). 

 

not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission. The copyright holder for this preprint (which wasthis version posted April 29, 2019. ; https://doi.org/10.1101/622092doi: bioRxiv preprint