$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Le cellule hanno la capacità intrinseca di percepire, generare e rispondere alle forze meccaniche, portando a cambiamenti nel fenotipo cellulare e al rimodellamento del microambiente locale 1,2. Le forze svolgono un ruolo cruciale nella regolazione di molti aspetti del comportamento cellulare, tra cui adesione, migrazione, proliferazione, differenziazione e guarigione delle ferite 3,4. Le aberrazioni nello scambio meccanico bidirezionale tra una cellula e il microambiente possono portare a stati patologici, incluso il cancro5. Numerosi recettori di membrana sono coinvolti nel mantenimento dell'omeostasi della matrice cellulare; di questi, le integrine e il recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) hanno una robusta sinergia 6,7. Classicamente, le integrine stabiliscono il legame meccanico tra il microambiente e il citoscheletro intracellulare mentre l'EGFR regola la crescita, la proliferazione e la sopravvivenza cellulare 8,9. L'EGFR è un bersaglio terapeutico altamente studiato, focalizzato sulla regolazione esterna-in che facilita la segnalazione intracellulare. Il crosstalk EGFR-integrina è stato stabilito geneticamente e biochimicamente per regolare la progressione di più malattie, incluso il cancro10,11. Mentre gli studi indicano l'esistenza dell'interazione EGFR-integrina, i risultati sono attribuiti a vie di segnalazione lontano dalla membrana plasmatica 7,12,13,14. L'impatto dell'EGFR, o di altri fattori di crescita, sulla meccanica cellulare rimane in gran parte inesplorato in parte a causa della mancanza di strumenti per misurare le forze cellulari e i risultati di segnalazione. La sfida sta nell'identificare strumenti appropriati per studiare la comunicazione tra questi paradigmi di segnalazione parallela e per quantificare i loro contributi specifici alla meccanica cellulare.
Sono stati sviluppati diversi approcci per misurare le forze generate dai recettori di adesione cellulare e il lettore è indirizzato a revisioni approfondite di queste tecniche15,16. In breve, la microscopia della forza di trazione e il rilevamento di array di micropilastri si basano sulla deformazione di un substrato sottostante per dedurre forze nanonewton (nN), un ordine di grandezza superiore alle singole forze recettoriali17,18. Le tecniche a singola molecola, tra cui AFM e pinzette ottiche, sono sensibili alle forze piconewton a singola proteina (pN) ma misurano solo un recettore alla volta e non offrono una buona (o qualsiasi) risoluzione spaziale. Le sonde di tensione molecolare basate sul DNA e le sonde TGT (Tension Gauge Tether) offrono una risoluzione della forza pN con risoluzione spaziale limitata alla diffrazione (o migliore), conferendo loro un ruolo unico nello studio delle forze unicellulari19,20 di diversi tipi di cellule, tra cui fibroblasti, cellule tumorali, piastrine e cellule immunitarie 21,22,23,24 . Mentre le sonde di tensione molecolare hanno un elemento "a molla" estensibile, ideale per l'imaging in tempo reale, le sonde TGT si rompono irreversibilmente, lasciando dietro di sé una "storia di forza" fluorescente. I TGT modulano inoltre la soglia di tensione del substrato sottostante; una serie di sonde con composizioni chimiche simili ma diverse forze di rottura, otolleranze di tensione (T tol), possono essere utilizzate per quantificare la tensione minima richiesta per la formazione dell'adesione focale e la diffusione cellulare. Le sonde TGT sono costituite da due filamenti di DNA complementari, uno ancorato alla superficie e l'altro che presenta un ligando alla cellula. Se un recettore lega il ligando ed esercita una forza maggiore delT tol della sonda, i fili saranno separati. Ttol è definito come la forza costante necessaria per rompere il 50% delle sonde in un intervallo di 2 s in condizioni ideali. Nelle sonde TGT "turn-on", un quencher sul filamento superiore può essere separato da un fluoroforo sul filamento inferiore. Solo dove la sonda TGT è stata rotta, presumibilmente da forze maggiori o uguali a Ttol, verrà generato un segnale fluorescente. Le sonde TGT possono anche essere riparate, consentendo una facile manipolazione di sistemi biologici e test di più condizioni. Per questi motivi, le sonde TGT sono state utilizzate in questo lavoro.
Le sonde TGT sono state impiegate per studiare come l'adesione cellulare integrina-dipendente e le forze meccaniche sono modulate dall'EGFR21 attivato. Questo lavoro ha stabilito EGFR come un "mechano-organizer", ottimizzando l'organizzazione dell'adesione focale e la generazione di tensione. Inoltre, è stato riscontrato che la stimolazione EGF ha influenzato la distribuzione e la maturità delle aderenze focali e una maggiore diffusione cellulare. Questo approccio potrebbe essere utilizzato in studi futuri per studiare come i fattori di crescita influenzano le forze meccaniche nella progressione e nella dinamica del tumore. Mentre il ruolo della diafonia EGFR-integrina nella regolazione della transizione epiteliale-mesenchimale è stabilito, il ruolo delle forze meccaniche in questo processo rimane poco esplorato10.
Qui, viene presentato un protocollo dettagliato per questi esperimenti che copre la sintesi e l'assemblaggio di sonde TGT 56 pN, la generazione di superfici TGT su coperture di vetro, l'applicazione di cellule Cos-7 sulla superficie TGT e la stimolazione con EGF, fissazione e colorazione di cellule con falloidina e un anticorpo anti-paxillina, fluorescenza a riflessione interna totale ad alta risoluzione (TIRF) e microscopia a contrasto di interferenza di riflessione (RICM) imaging, e quantificazione delle immagini. Questo protocollo, sebbene scritto per studiare la stimolazione EGF delle cellule Cos-7, è facilmente adattabile per molti esperimenti basati su TGT. Diversi ligandi, Ttol, tipi di cellule, parametri di stimolazione, proteine etichettate dopo la fissazione e analisi quantitativa possono essere facilmente sostituiti, rendendo questo protocollo robusto e ampiamente utile.