Microstrutture idrogel intelligenti consentono l'applicazione precisa della forza ai sistemi cellulari
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All'interno dei tessuti, le cellule sono inserite in complesse strutture tridimensionali note come matrice extracellulare. Le loro interazioni biomeccaniche svolgono un ruolo cruciale in numerosi processi biologici. Gli scienziati del Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) hanno ora sviluppato un nuovo sistema lab-on-a-chip basato su strutture idrogel intelligenti, che consente di applicare forze di pressione precise ai microambienti cellulari. Il metodo recentemente presentato potrebbe trovare applicazioni future nella diagnostica medica per i disturbi meccanici nei tessuti viventi.
Microstrutture idrogel fotoreattive inserite in una rete di collagene. La microstruttura in primo piano viene illuminata con un laser verde, provocando una contrazione. Questo rimodella la rete di collagene ed esercita forze sulle cellule circostanti.
Copyright: Vicente Salas-Quiroz
Biomeccanica delle cellule simulata con un metodo lab-on-a-chip
Il rimodellamento meccanico del microambiente extracellulare svolge un ruolo cruciale nei processi biologici come lo sviluppo e il mantenimento dell'equilibrio fisiologico (omeostasi) e la guarigione delle ferite. La riproduzione di questo fenomeno in laboratorio può fornire indicazioni sulle cause dei cambiamenti patologici. Tuttavia, i metodi strumentali precedenti non potevano essere integrati nei sistemi lab-on-a-chip e offrivano solo una precisione limitata. Il team guidato dalla dott.ssa Katja Zieske, responsabile del gruppo di ricerca indipendente "Molecular Biophysics & Living Matter" del MPL, presenta ora un nuovo metodo che può essere utilizzato per simulare perturbazioni meccaniche spaziali e temporali controllate di reti di polimeri biologici su un sistema lab-on-a-chip. I processi biologici che si verificano durante tali perturbazioni possono così essere esaminati al microscopio.
Idrogeli intelligenti come micromacchine
Gli scienziati utilizzano microstrutture di idrogel intelligenti. Questi potenti materiali sono costituiti da polimeri che rispondono a stimoli come la luce o la temperatura modificando la loro struttura. A seconda dello stimolo, si contraggono o si espandono. I ricercatori dell'MPL hanno sfruttato queste proprietà per esercitare forze biomeccaniche specificamente definite su reti di polimeri biologici come il collagene. Inoltre, gli scienziati hanno potuto valutare la compatibilità del sistema con le cellule viventi.
In primo luogo, il team di Zieske ha prodotto e ottimizzato microstrutture idrogel termoresponsive in camere di flusso. L'espansione delle microstrutture idrogel è stata testata con una stimolazione della temperatura controllata nel tempo per comprimere varie reti molecolari, come Matrigel, una miscela di proteine simili a gel e una rete di collagene. Dopo la compressione, è stata misurata la deformazione associata. Mentre il Matrigel si è deformato plasticamente, il collagene si è rilassato elasticamente. Imitando le forze di pressione cellulare con microstrutture idrogel intelligenti, il team di Zieske ha sviluppato un nuovo sistema versatile per scopi di ricerca. Gli studi futuri potranno concentrarsi sul rimodellamento della matrice extracellulare e sugli effetti delle forze meccaniche sul suo microambiente cellulare, sia in contesti fisiologici che patologici.
"Il nostro metodo ci permette di generare forze meccaniche con un'elevata precisione spaziale e temporale e di registrarne gli effetti sui sistemi biologici. Nel collagene, siamo stati in grado di rilevare i cambiamenti innescati da queste forze anche a distanze di centinaia di micrometri, tracciando microsfere fluorescenti", afferma Vicente Salas-Quiroz, primo autore del lavoro presentato. La nostra visione è quella di sviluppare microstrutture intelligenti per la diagnostica medica, al fine di contribuire a un sistema sanitario sostenibile - ad esempio, nell'indagine di sistemi di modelli cellulari 3D come modelli di cancro e modelli per la formazione di vasi sanguigni". Le microstrutture intelligenti di idrogel nei sistemi lab-on-a-chip potrebbero servire in futuro come micromacchine per manipolare modelli di tessuto su scala micrometrica. Vediamo un grande potenziale per l'uso diagnostico", aggiunge Zieske.
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