Elastómeros magnetorreológicos micromodelados para impulsar cambios en la alineación de los cardiomiocitos
10 de junio de 2025
Presentamos una plataforma de ensayo de rigidez dinámica y reversible fabricada con un elastómero de silicona ultrasuave (polidimetilsiloxano, PDMS) con partículas de hierro incrustadas. Este nuevo ensayo es adecuado para estudiar los cambios físicos emergentes dependientes del tiempo en los fenotipos celulares, incluida la guía de contacto. Aquí, medimos la alineación de cardiomiocitos de ratas neonatales sobre el endurecimiento de la matriz utilizando magnetismo.
Estamos investigando cómo responden los cardiomiocitos a cambios dinámicos y reversibles en su entorno mecánico, imitando las fluctuaciones de rigidez y estructura que experimentan in vivo. Desde la introducción de la MRE, hemos publicado varios estudios importantes en cardiología. Utilizando estos materiales, descubrimos que la hipertrofia impulsada por rigidez en cardiomiocitos adultos depende de las redes de microtúbulos.
Más recientemente, descubrimos más información sobre la memoria mecánica tanto en fibroblastos cardíacos como en cardiomiocitos derivados de iPSC. La mejor parte de usar elastómeros magnetorheológicos es su simplicidad. Nuestros protocolos son tan sencillos como parece, solo una combinación de productos comerciales trabajando juntos para crear algo potente.
Es un enfoque fácil de usar que hace que la ciencia de vanguardia sea accesible para todos. Esto allanó el camino para modelos de enfermedades más realistas, especialmente para afecciones como la insuficiencia cardíaca, donde la mecánica del tejido está siempre cambiando. También ayuda a los investigadores a diseñar biomateriales más inteligentes, altamente ajustables, dinámicos y reversibles.
Nuestro equipo se ha centrado principalmente en enfermedades cardíacas, pero recientemente ampliamos el rango dinámico más rígido de nuestras MREs desde tan solo 5 kilopascales hasta hasta 400 kilopascales. Ese avance nos abre la puerta para ampliar nuestra investigación y colaborar en otros órganos más allá del corazón. Para empezar, mezcla la base y el agente de curado en una proporción de 10 a 1 para preparar 10 gramos de 184 polidimetilsiloxano, o PDMS.
Vierte cinco gramos de los 184 PDMS en una placa de Petri de 35 milímetros. Luego coloca el plato en un desecador y desgasifica durante aproximadamente cinco a diez minutos hasta que todas las burbujas se disipen. Deja curar parcialmente 184 PDMS durante 30 minutos en un horno a 60 grados Celsius.
Cuando queden cinco minutos para el curado, aplica una capa fina de 184 PDMS adicionales sobre la superficie de la red de difracción. Coloquelo en un desecador para desgasificar durante aproximadamente cinco minutos. Ahora, retira la placa de Petri de 35 milímetros que contiene los 184 PDMS parcialmente curados del horno.
Invierte la red de difracción con PDMS sobre los 184 PDMS parcialmente curados en la antena. Presiona ligeramente la red de difracción hasta que una pequeña cantidad de PDMS la rodee. Utiliza los 184 PDMS sin curar restantes para rellenar el plato que rodea la rejilla y asegurarte de que se mantenga en su sitio durante el curado.
Luego coloca el plato en un horno a 60 grados Celsius durante 1,5 horas. Después de curar, retira el recipiente con la rallada del horno. Usa un bisturí para marcar alrededor de la red de difracción.
Aplica una pequeña cantidad de alcohol isopropílico para penetrar por debajo de la rejilla de difracción. Quita la rejilla del PDMS en la dirección paralela a los patrones. Elimina cualquier PDMS sobrante, dejando intacta solo la sección con patrones.
Luego corta el sello PDMS al tamaño deseado. Marca la dirección del patrón en el plato de la MRE. Para recubrir el sello con silano, coloca el sello fabricado de 184 PDMS dentro de un limpiador de plasma de oxígeno con la superficie con patrón hacia arriba.
Trata la superficie con 45 vatios de plasma de oxígeno durante 30 segundos. Coloca los 184 sellos PDMS tratados dentro de un desecador situado en una campana extractora. Ahora, arranca la tapa de un tubo de microcentrífuga.
Coloca la tapa del tubo de la microcentrífuga junto a los sellos PDMS dentro del desecador. Pipetear 20 microlitros de silano a la tapa del tubo de la microcentrífuga. Cierra el desecador y tira de un vacío para iniciar el recubrimiento de vapor.
Para la preparación de la ERM, mide la cantidad deseada de diluyente de silicona y la parte B de elastómero ECO. Mézclalos a 2.500 revoluciones por minuto en un mezclador rápido durante un minuto. Añade la parte A del elastómero ECO y partículas de hierro carbonilo a la mezcla y vuelve a mezclar a 2.500 revoluciones por minuto durante un minuto. Utilizando una pipeta de transferencia con la punta cortada, dispensa cinco gramos de la mezcla de MRE en una nueva placa de Petri de 35 milímetros.
Desgasifica en un desecador durante aproximadamente cinco minutos y luego cura parcialmente durante 10 minutos en el horno a 60 grados Celsius. Cuando queden cinco minutos para el curado, usa una pipeta de transferencia para añadir MRE sin curar y cubrir solo la superficie con patrón del sello PDMS. Coloca el sello recubierto en un desecador para desgasificar durante cinco minutos.
Saca el plato MRE parcialmente curado del horno. Con pinzas, gira el sello recubierto boca abajo sobre la superficie de la ERM y presiona suavemente. Marca la dirección del patrón en el plato de la MRE.
Vuelve a meter el conjunto en el horno a 60 grados Celsius durante 25 minutos más. Una vez que el material esté completamente curado, utiliza un bisturí para marcar la MRE en el borde inferior del sello en una dirección perpendicular a las líneas del patrón. Aplica una pequeña cantidad de alcohol isopropílico en la zona cortada alrededor del sello.
Luego usa pinzas para sacar el sello PDMS del MRE en la dirección paralela al patrón. Esteriliza la superficie de la ERM lavando con etanol al 70% tres veces y deja reposar el tercer lavado durante 20 minutos. Luego lava la superficie de la MRE tres veces con PBS estéril.
Recubre la superficie de la ERM con 10 microgramos por mililitro de fibronectina en PBS que contiene magnesio y calcio durante una hora a 37 grados Celsius para favorecer la adhesión celular al dispositivo. Finalmente, lava la superficie de la ERM tres veces con PBS que contiene magnesio y calcio, y siembra los cardiomiocitos neonatales de rata a una densidad de 20.000 células por centímetro cuadrado. La fidelidad de la transferencia de micropatrones desde el molde maestro hasta el sustrato MRE se demuestra en esta figura mediante perfiles de altura normalizados y mediciones cuantitativas del paso y altura de las características.
La comparación del perfil X mostró que el perfil normalizado de altura de características de la MRE seguía de cerca al del molde maestro, aunque con alturas pico ligeramente reducidas y formas de características más amplias. El paso medio del sustrato MRE fue de aproximadamente 10 micrómetros y no difería significativamente del paso del molde maestro. La altura media de la característica en el sustrato MRE fue significativamente menor que la del molde maestro, con valores medios de 3,81 micrómetros y 5,49 micrómetros, respectivamente.
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Descripción general
Este estudio presenta una nueva plataforma de ensayo de rigidez que utiliza un elastómero de silicona ultra-suave con partículas de hierro incrustadas. La plataforma está diseñada para investigar cambios físicos dependientes del tiempo en los fenotipos celulares, centrándose especialmente en la alineación de cardiomiocitos en respuesta al endurecimiento de la matriz.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Cardiología
- Biología celular
- Biomecánica
Antecedentes
- Los cardiomiocitos son sensibles a los cambios mecánicos en su entorno.
- Comprender la hipertrofia inducida por la rigidez es fundamental para la salud cardíaca.
- Los elastómeros magnetorreológicos ofrecen un enfoque único para estudiar las propiedades mecánicas.
- Estudios previos han destacado el papel de las redes de microtúbulos en la respuesta de los cardiomiocitos.
Objetivo del estudio
- Explorar cómo los cardiomiocitos de rata neonatal se alinean en respuesta a cambios dinámicos de rigidez.
- Imitar en un entorno controlado las fluctuaciones mecánicas in vivo.
- Mejorar la comprensión de la memoria mecánica en células cardíacas.
Métodos Utilizados
- Elaboración de una plataforma de ensayo de rigidez utilizando PDMS y partículas de hierro.
- Medición del alineamiento de cardiomiocitos tras el endurecimiento de la matriz.
- Uso de campos magnéticos para inducir cambios en la rigidez.
- Análisis de las respuestas celulares a entornos mecánicos variables.
Resultados principales
- Los cardiomiocitos demostraron alineamiento correlacionado con la rigidez de la matriz.
- Los cambios dinámicos en la rigidez influyeron en el comportamiento del fenotipo celular.
- La plataforma de ensayo resultó efectiva para estudiar las propiedades mecánicas.
- Los hallazgos contribuyen a comprender las respuestas de las células cardíacas a estímulos mecánicos.
Conclusiones
- La plataforma desarrollada es una herramienta valiosa para estudiar la mecánica de los cardiomiocitos.
- Los resultados indican la importancia del entorno mecánico en el comportamiento de las células cardíacas.
- Estudios futuros pueden aprovechar esta plataforma para explorar otros tipos celulares.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El control dinámico de la rigidez y topografía del sustrato mediante elastómeros magnetorreológicos micropatroneados (MREs) permite una rigurosa interrogación de la mecanobiología de los cardiomiocitos bajo condiciones fisiológicamente relevantes y variables en el tiempo. Esta plataforma aborda una brecha crítica en la modelización de los microentornos mecánicos fluctuantes observados en las enfermedades cardíacas, lo que respalda la confianza predictiva en el descubrimiento temprano y la validación de objetivos. El enfoque facilita la continuidad traslacional desde la comprensión mecanicista hasta la modelización de sistemas relevantes para la enfermedad, informando decisiones de cartera ajustadas al riesgo.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite pruebas precisas de hipótesis de mecanotransducción en cardiomiocitos bajo condiciones de carga dinámica.
- Apoya la validación funcional de objetivos al aislar los efectos de señales reversibles de rigidez y topográficas.
- Facilita la reducción mecanicista de riesgos en modelos de enfermedades cardíacas mediante la simulación de fluctuaciones biomecánicas in vivo.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Proporciona un sustrato estandarizado y reproducible para la evaluación cuantitativa del alineamiento celular y los cambios fenotípicos.
- Ofrece plataformas listas para ensayos con propiedades mecánicas ajustables para la evaluación de compuestos en contextos relevantes para la enfermedad.
- Permite la escalabilidad y el reutilización de plataformas en múltiples campañas de mecanobiología y cribado cardíaco.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Alinea los estímulos mecánicos in vitro con la patofisiología cardíaca clínicamente relevante, como el infarto de miocardio.
- Apoya la continuidad desde estudios mecanicistas en fase de descubrimiento hasta la validación preclínica de hipótesis terapéuticas.
- Mejora el valor predictivo para el desarrollo de biomarcadores traslacionales en ingeniería de tejidos cardíacos y modelado de enfermedades.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este método basado en MRE se integra en la continuidad desde el descubrimiento hasta la etapa preclínica al permitir estudios mecanobiológicos guiados por hipótesis, el desarrollo de ensayos y la modelización traslacional de enfermedades cardíacas.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la comprobación de la hipótesis nula sobre los efectos de la carga mecánica en la alineación y el fenotipo de los cardiomiocitos.
- Selección: Proporciona lecturas cuantitativas y reproducibles de la orientación celular y la fidelidad al sustrato para la estandarización de ensayos.
- Análisis: Permite la medición cuantitativa del paso, altura y respuesta celular ante cambios dinámicos en la rigidez.
- Investigación Traductiva: Conecta hallazgos mecanicistas in vitro con modelos preclínicos relevantes para enfermedades cardiacas.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma modular y adaptable para estudios de mecanobiología en sistemas cardíacos y otros órganos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la validación de dianas cardíacas.
- Valor operativo: Proporciona flujos de trabajo estandarizados, escalables y reproducibles para la investigación en mecanobiología.
- Valor estratégico: Permite tomar decisiones informadas de avance o interrupción del proyecto y un avance eficiente en el uso del capital de los programas de descubrimiento cardíaco.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización ajustada al riesgo de dianas y modelos para líneas de investigación cardíacas y de mecanobiología más amplias.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en mecanobiología, fabricación de sustratos y análisis celular cuantitativo.
- Necesita acceso a herramientas para la preparación de PDMS/MRE, control de campos magnéticos e infraestructura de imagenología.
- Exige la estandarización entre equipos en el trazado de patrones en sustratos y la caracterización de propiedades mecánicas.
- Adaptable a otros tipos celulares y sistemas orgánicos mediante modificaciones del protocolo, según lo permita el rango de sustratos.
- Las limitaciones prácticas incluyen la fidelidad de la transferencia de micropatrones y las dimensiones alcanzables de las características estructurales.
