L'osso è un tessuto altamente dinamico che richiede una coordinazione intricata tra i tre principali tipi di cellule: osteociti, osteoblasti e osteoclasti. Le interazioni multicellulari tra queste cellule sono responsabili della perdita ossea che si verifica durante la paralisi e l'immobilità a lungo termine e per la formazione ossea che si verifica in risposta alla crescita e all'esercizio fisico. Gli osteociti, il tipo di cellula ossea più abbondante, sono altamente sensibili agli stimoli meccanici applicati all'osso. La stimolazione meccanica altera l'attività metabolica degli osteociti e porta ad un aumento delle molecole chiave di segnalazione1,2. Attraverso questo processo, noto come meccanotra, gli osteociti possono coordinare direttamente le attività degli osteoblasti (cellule che formano le ossa) e degli osteoclasti (cellule di risordiamento osseo). Mantenere l'omeostasi ossea richiede una stretta regolazione tra la formazione ossea e i tassi di risurrezione ossea; tuttavia, le interruzioni in questo processo possono provocare stati di malattia come l'osteoporosi o l'osteopetrosi.
La complessità delle interazioni tra questi tre tipi di cellule si presta bene allo studio utilizzando tecnologie microfluidiche e lab-on-a-chip (LOC). A tal fine, il nostro laboratorio ha recentemente stabilito la prova del concetto di piattaforma LOC per l'analisi del riordino osseo e della formazione (risultati funzionali) nel processo di rimodellamento osseo. La piattaforma può essere utilizzata per lo studio delle interazioni cellulari, degli ambienti di carico alterati e dello screening dei farmaci investigativo. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati vari dispositivi microfluidici per studiare le vie di segnalazione molecolare che regolano il rimodellamento osseo; tuttavia, molti di questi sistemi quantificano il rimodellamento attraverso marcatori indiretti che sono indicatividell'attivitàfunzionale 3,4,5,6,7. Un vantaggio del nostro sistema è che può essere utilizzato per la quantificazione diretta dei risultati funzionali. Il rimodellamento osseo è un processo a lungo termine. Come tale, la quantificazione diretta di ritorsione e formazione ossea richiede un sistema di coltura che può essere mantenuto per un minimo di settimane a mesi8,9,10,11. Così, durante lo sviluppo della piattaforma LOC, abbiamo stabilito protocolli di coltura a lungo termine necessari per la formazione e il riassorbimento e abbiamo mantenuto le cellule all'interno del sistema per un massimo di sette settimane11. Inoltre, abbiamo incorporato nella piattaforma i substrati di coltura appropriati per entrambi i tipi di cellule; Gli osteoclasti sono stati coltivati direttamente sulle ossa, e gli osteoblasti, che sono noti per essere aderenti di plastica, sono stati coltivati su dischi di polistirolo. Inoltre, abbiamo affrontato questioni riguardanti la sterilità, la citotossicità a lungo termine e lo smontaggio del chip per il rimodellamento dell'analisi11,12.
La piattaforma LOC può essere utilizzata anche per indurre l'osteocite mechanotratrante attraverso la deformazione della matrice. È stato sviluppato un dispositivo di caricamento meccanico stampato in 3D per l'associazione con il LOC e applicare una distensione statica fuori dal piano per allungare le celle13. Per contenere questo carico meccanico, la profondità del pozzo all'interno del LOC è stata aumentata. Questo dispositivo di caricamento meccanico semplice e su piccola scala può essere facilmente prodotto da laboratori con esperienza ingegneristica limitata, e in precedenza abbiamo condiviso disegni dei componenti stampati in 3D13. Nel lavoro attuale, dimostriamo alcune delle nuove tecniche necessarie per il successo dell'uso del LOC. In particolare, dimostriamo la fabbricazione di chip, la semina cellulare su substrati funzionali, il carico meccanico e lo smontaggio del chip per la quantificazione di rimodellamento. Crediamo che la spiegazione di queste tecniche tragga vantaggio da un formato visivo.