$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Las células tienen la capacidad de detectar y responder a estímulos mecánicos dentro de su microambiente externo 1,2,3, que son cruciales para regular varios procesos celulares, incluida la adhesión, la migración, la proliferación y la diferenciación4. In vivo, las propiedades mecánicas del microambiente tisular exhiben una heterogeneidad espacial significativa, con variaciones en la rigidez de la matriz observadas tanto en contextos fisiológicos, como en las uniones del hueso y el músculo, como en condiciones patológicas, como dentro de los tumores 5,6,7. Una investigación exhaustiva de estos factores mecánicos es esencial para comprender los mecanismos reguladores que rigen el comportamiento celular. Estos mecanismos son fundamentales en procesos como el desarrollo de tejidos, la progresión de la enfermedad y el proceso de regeneración y reparación 8,9.
Para simular este complejo microambiente mecánico in vitro, los hidrogeles o elastómeros se utilizan ampliamente para crear sustratos con rigidez variable ajustando el grado de reticulación o la relación de componentes 3,10,11,12,13. Sin embargo, estos métodos a menudo dan como resultado cambios discretos de rigidez que no logran reproducir los gradientes de rigidez continuos a microescala que imitan con precisión las condiciones fisiológicas 13,14,15,16,17. Estudios recientes han explorado técnicas como la reticulación óptica (por ejemplo, el uso de una fotomáscara para regular la exposición a los rayos UV)18, la mezcla multicanal microfluídica19,20 y los medios impulsados por difusión21 para construir gradientes de rigidez. Desafortunadamente, estos enfoques pueden ser técnicamente complejos e introducir variables adicionales, como el tamaño de malla22, la hinchazón23,24 y la topografía25. La introducción de factores de alteración complica la interpretación de las respuestas celulares a la rigidez. Se ha adoptado un sistema PDMS bicapa, que utiliza matrices de micropilares o patrones de tablero de ajedrez como estructura de soporte, para crear sustratos de cultivo celular con gradientes de rigidez26,27. Estos enfoques se basan en soportes subyacentes discretos debajo de una membrana químicamente homogénea para lograr la modulación de la rigidez isotrópica, proporcionando plataformas valiosas para investigar la adhesión y propagación celular. Sin embargo, el microambiente celular nativo in vivo suele ser altamente anisotrópico en sus propiedades mecánicas28,29. Se postula que esta señalización mecánica direccional influye profundamente en los eventos biológicos fundamentales. Por lo tanto, las estrategias actuales de biofabricación están limitadas en su capacidad para replicar las sutiles interacciones de rigidez celular observadas in vivo, que dependen de imitar con precisión los gradientes de rigidez a microescala y la heterogeneidad espacial dentro de los sustratos cargados en células.
Investigaciones anteriores han demostrado que las células pueden percibir la rigidez efectiva de los objetos rígidos incluso cuando no están en contacto celular directo30. Con base en este estudio, presentamos un nuevo sustrato de cultivo celular de polidimetilsiloxano bicapa (PDMS) que genera gradientes de rigidez controlados a escalas espaciales que van de 5 a 50 μm, alineándose con el rango de tamaño relevante para la mecanosinización subcelular y unicelular. El sustrato consta de dos capas distintas: una capa inferior rígida de PDMS con microestructuras geométricas sintonizables y una capa superior de PDMS suave y plana uniforme que sirve como superficie de contacto celular. Este diseño permite la modulación mecánica únicamente a través de variaciones en la geometría de la subestructura, al tiempo que mantiene una química y topografía de superficie consistentes. En consecuencia, desacopla eficazmente la señal de rigidez de otras señales físicas y químicas, ofreciendo un sistema biológicamente más relevante para la modulación de la rigidez.
A diferencia de los sustratos tradicionales a base de hidrogel, nuestro enfoque permite estudios mecánicos de una sola variable sin interferencia de hinchazón, tamaño de malla o topología de superficie. El sustrato es fácil de fabricar utilizando litografía blanda estándar y es altamente reproducible31. También es compatible con la microscopía de alta resolución, lo que lo hace particularmente adecuado para imágenes en tiempo real y estudios cuantitativos de respuestas celulares a señales de rigidez a microescala. Este manuscrito presenta el protocolo de fabricación completo, detalla la estrategia de control de parámetros y demuestra la utilidad del sustrato con experimentos representativos de cultivo celular. En última instancia, este enfoque proporciona una herramienta in vitro robusta y accesible para explorar las respuestas celulares a un gradiente de rigidez a microescala.