Las células experimentan fuerzas mecánicas de su entorno que juegan un papel fundamental en la regulación de muchos aspectos de la función celular, incluyendo la determinación del destino celular 1,2, la comunicación intercelular 3,4 y el crecimiento saludable 2,5. Además, los cambios en estas fuerzas mecánicas pueden conducir a un aumento de la progresión de la enfermedad y su inicio, incluyendo la remodelación de la matriz extracelular(ECM) 6 y el crecimientotumoral 7,8,9,10. Las células pueden detectar y responder a estas señales mecánicas, que incluyen cambios en la rigidez de laECM 4, así como la tensión cíclica en órganos como el corazón, los pulmones y losmúsculos 11,12. Los estudios in vitro han demostrado que la rigidez y composición de la ECM pueden influir en la rigidez del citoesqueleto celular, tanto en reposo como tras la exposición a agonistascontráctiles 13. Numerosos estudios in vitro e in situ han examinado cómo las cepas transitorias, estáticas y cíclicas afectan a las células y tejidos, mostrando que las respuestas varían según el tipo, la velocidad y la amplitud de lacepa 14. Por ejemplo, estudios recientes han encontrado que un estiramiento temporal reduce la rigidez de las células adherentes en proporción a la deformación aplicada, en la que un aumento sostenido de la deformación resulta en un incremento inicial rápido de la rigidez, seguido de una relajación gradual15. Además, la señalización de calcio, el principal regulador molecular de la generación de fuerzas, se ve afectada por la estiración y otras fuerzasmecánicas 4,16,17,18,19,20. Estudiar cómo la rigidez y la tensión influyen en las vías mecanobiológicas requiere modular ambos factores mientras se monitorizan las respuestas celulares. Por ello, desarrollamos un novedoso estirador celular compatible con microscopio capaz de inducir estiramiento isotrópico o uniaxial, con control independiente sobre la rigidez del sustrato, el recubrimiento de proteínas matricial y una variedad de formas de onda programables.
En el pasado, los investigadores han creado dispositivos similares para imponer movimientos específicos y estiramientos mecánicos sobre cultivos celulares y tejidos21,22. El caso más simple, el movimiento uniaxial, es un estiramiento mecánico impuesto a una sola dimensión. Por ejemplo, se han desarrollado algunos dispositivos para imponer estiramiento y tensión mecánica sobre las tirastisulares 23 y las fibras de colágeno24, o para alinear la orientación celular e inducir la migracióncelular 25. El estiramiento isotrópico se refiere a un tipo de estiramiento en el que se aplica una fuerza igual a un gel o sustrato desde todas las direcciones, resultando en una tensión uniforme a lo largo del material. Este estiramiento simula la distribución uniforme de fuerzas que las células experimentan en ciertos entornos fisiológicos, como dentro de los alvéolos de los pulmones, donde las células están sometidas a expansión y contracción radial durante el procesorespiratorio 26,27.
Los dispositivos de bastidor existentes tienen varias limitaciones que limitan su uso en investigaciones relacionadas con la mecanobiología. Muchos diseños utilizan valores de rigidez del sustrato que superan el rango fisiológico típico para soportar la tensión mecánica y soportar el peso del medio de cultivocelular 28. Sin embargo, el uso de esta rigidez no fisiológica también puede afectar al comportamiento celular, limitando potencialmente la relevancia del modelo a ambientes tisularesnaturales 29. Además, algunos diseños de camillas obstruyen el objetivo o el camino de la luz, impidiendo la obtención de imágenes, mientras que otros utilizan membranas demasiado gruesas para una observaciónclara 28. Incluso cuando los estiradores son compatibles con microscopios y usan sustratos finos, problemas como el hundimiento de la membrana y la pérdida de enfoque son comunes. Plataformas comerciales como Flexcell utilizan deformación basada en vacío para estirar membranas flexibles. Aunque este enfoque puede generar campos de deformación estables y homogéneos, no está optimizado para microscopía de células vivas, y las configuraciones compatibles con microscopio requieren accesorios adicionales costosos. Además, estas plataformas pueden alcanzar una tensión máxima de solo el 21,8%, mientras que las líneas profundas pueden producir cepas superiores al 30%, observándose cepas aún más altas en enfermedades como el asma y laEPOC 31.
Por ello, diseñamos un novedoso dispositivo de estiramiento de celdas que permite un control preciso del material sobre la rigidez del sustrato y la composición de la ECM, al tiempo que permite aplicar deformaciones isotrópicas y uniaxiales variables a las células adherentes. Esta plataforma es muy adecuada para investigadores que investigan cuestiones mecanobiológicas que requieren imágenes en vivo durante la estimulación mecánica con sustratos con rigidez fisiológicamente relevante. El dispositivo utiliza un enfoque mecánico inspirado en la geometría de una esfera de Hoberman bidimensional, que se expande y contrae mediante juntas en forma de tijera (Figura 1, Figura suplementaria 1). Un único motor paso a paso acciona 16 brazos dispuestos radialmente a través de un mecanismo de enlace, produciendo expansión y contracción coordinadas de ocho postes de sujeción. Esta configuración genera una deformación homogénea en plano aplicando un desplazamiento radial igual a todos los postes simultáneamente. El diseño único y la huella compacta del dispositivo facilitan la obtención de imágenes de células vivas con un microscopio de fluorescencia invertida durante estiramientos isotrópicos y uniaxiales en plano, a una fracción del coste de las alternativas comerciales. El motor paso a paso lineal se controla con un código Arduino personalizado, que permite formas de onda cíclicas programables con periodos y amplitudes ajustables. En este estudio, demostramos que el dispositivo entrega cepas precisas y reproducibles que van desde menos del 1% hasta el 15%, con una capacidad geométrica superior al 200%. Además, cuantificamos los efectos del estiramiento mecánico sobre la dinámica intracelular del calcio y las fuerzas de tracción celular de las células musculares lisas primarias de las vías respiratorias humanas.