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Molti processi cellulari sono stati ampiamente studiati in 2 dimensioni, formando così una conoscenza collettiva dei meccanismi di segnalazione cellulare di base. Questi studi, tuttavia, trascurano importanti segnali cellulari ricevuti dalle proprietà strutturali e meccaniche del microambiente cellulare locale e della matrice extracellulare (ECM). Per comprendere meglio come le cellule interagiscono in un contesto fisiologico, è importante studiarle in saggi tridimensionali (3D). L'ECM per questi saggi 3D può essere derivata da cellule o ricostituita da proteine purificate. Indipendentemente dalla fonte della MEC, i saggi di matrice 3D si sono dimostrati preziosi per comprendere come le cellule navigano e interagiscono all'interno del mondo fisiologico. Ad esempio, le cellule cresciute in matrici 3D mostrano modalità di locomozione distinte che dipendono dalla natura meccanica della ECM circostante che non sono osservate negli esperimenti 2D4-6. Inoltre, le cellule coltivate in 3D hanno anche meno fibre di stress e aderenze focali meno pronunciate rispetto alle loro controparti coltivate su superfici dure come vetro o plastica7.
Tuttavia, l'importanza dei saggi 3D contestuali non si limita alla migrazione cellulare. Alcuni altri eventi di segnalazione cellulare possono essere studiati solo attraverso l'uso di saggi 3D. Durante la differenziazione tissutale e cellulare, la rigidità dell'ambiente extracellulare e della ECM fornisce segnali che possono influenzare gli eventi morfogenici. Ad esempio, la tubulogenesi epiteliale mammaria si verifica solo in matrici 3D a bassa rigidità, ma non in matrici rigide né su substrati 2D8,9. Quando coltivate all'interno di matrici 3D rigide, queste stesse cellule epiteliali assumono un fenotipo aberrante con aumento della proliferazione e sporgenze della membrana cellulare guidate da segnali FAK e ERK alterati10. È noto che molte altre vie di segnalazione e processi cellulari sono influenzati in modo simile dalla rigidità dell'ambiente cellulare locale, e queste cascate di segnalazione evidenziano l'importanza di studiare gli eventi di segnalazione e il fenotipo cellulare nel contesto delle appropriate proprietà meccaniche locali di una ECM 3D.
Il collagene I è una proteina particolarmente rilevante da utilizzare per gli studi in vitro in quanto è il componente più abbondante della MEC ed è responsabile di molte delle proprietà meccaniche del microambiente cellulare. Mentre originariamente si pensava che fosse solo una proteina strutturale, il suo ruolo è ora noto per essere molto più complesso. La composizione, l'architettura, l'orientamento, la densità e la rigidità delle fibre di collagene forniscono un ambiente concentrato di informazioni di segnalazione5. Durante la progressione di alcune malattie, come l'infiammazione cronica e la tumorigenesi, la rete di collagene viene drasticamente rimodellata2,11. Più specificamente, nei tumori al seno, l'aumento della deposizione di collagene e la rigidità dei tessuti accompagnano e probabilmente contribuiscono alla progressione del tumore. In questi tumori precoci, la rete di collagene irrigidita appare tesa e più allineata, in modo tale che la maggior parte delle fibre incapsula il tumorein crescita 2. Man mano che il tumore progredisce, il collagene continua a riorganizzarsi e le regioni della rete fibrillare si orientano perpendicolarmente al confine del tumore2,12. L'allineamento perpendicolare funge da biomarcatore prognostico in cui questi pazienti hanno una progressione libera da malattia euna sopravvivenza globale 1 più scarse. Una spiegazione di questa correlazione è che gli scarsi risultati sono una conseguenza dell'aumento della disseminazione delle cellule tumorali attraverso la migrazione cellulare persistente nelle reti di collagene allineate3.
Per capire come le cellule rispondono specificamente all'allineamento e all'organizzazione che si osserva nella progressione tumorale, è necessario generare matrici di collagene 3D sia casuali che allineate per la sperimentazione. Esistono tre metodologie di base per indurre l'allineamento all'interno delle reti fibrillari. La prima tecnica utilizza un dispositivo che induce la tensione in cui il collagene tra due punti viene contratto o allungato per generare l'allineamento. Le fibre parallele all'asse di forza vengono tese mentre le fibre perpendicolari all'asse vengono compresse e deformate. Mentre le tecniche indotte dalla deformazione offrono in genere un eccellente allineamento, questo approccio richiede apparecchiature ingombranti che non sono facilmente adattabili a molte piattaforme3,13. In alternativa, il ceppo indotto dalle cellule può essere creato posizionando tappi localizzati di cellule che successivamente si contraggono e allineano il collagene13. Questo metodo ha il problema di essere variabile, in quanto molti parametri possono essere soggetti a modifiche. Il secondo metodo utilizza perle magnetiche e un campo magnetico durante la polimerizzazione per indurre l'allineamento del collagene13,14. Buoni risultati possono essere ottenuti da questo metodo con apparecchiature non sofisticate, ma richiede l'uso di anticorpi o qualche altro metodo per magnetizzare il polimero. Pertanto, può essere un po' costoso da usare e la rigidità del gel di collagene è potenzialmente modificata dall'aumento delle connessioni nella rete. Inoltre, le microsfere magnetiche utilizzate in questo processo sono spesso autofluorescenti, il che è problematico per gli esperimenti di imaging. Infine, l'allineamento può essere generato dai canali microfluidici PDMS3,15,16. In questo metodo, l'allineamento del collagene si ottiene facendo fluire il collagene polimerizzando attraverso piccoli canali microfluidici. Questi canali microfluidici possono essere realizzati in una moltitudine di design e sono facilmente adattabili a molte piattaforme. Inoltre, sono molto economici in quanto vengono utilizzate quantità molto piccole di collagene e altri reagenti a causa delle loro dimensioni ridotte.
Fornito qui è un semplice protocollo per incorporare le cellule all'interno di un idrogel di collagene fibrillare tridimensionale. Inoltre, viene fornita anche una tecnica più avanzata, in cui vengono utilizzati canali microfluidici PDMS per controllare l'organizzazione e l'allineamento della matrice di collagene. Questo protocollo è facilmente adattabile a molte piattaforme e può generare in modo riproducibile matrici di collagene allineate e casuali per lo studio della migrazione cellulare, della divisione cellulare e di altri processi cellulari in un microambiente fisiologico tridimensionale.