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Il fegato è un organo vitale per il mantenimento dell'omeostasi negli organismi 1,2. Le malattie croniche del fegato rappresentano ~ 2 milioni di morti in tutto il mondo ogni anno3. Hanno origine più comunemente come infezioni virali, disturbi autoimmuni, sindromi metaboliche o malattie legate all'abuso di alcol e sono accompagnati da fibrosi epatica progressiva. Il danno epatico provoca una risposta infiammatoria, che porta all'attivazione delle cellule che depositano la matrice extracellulare (ECM) in una risposta di guarigione delle ferite. Tuttavia, in presenza di un insulto cronico, l'eccesso di ECM forma tessuto cicatriziale irrisolto all'interno del fegato, portando allo sviluppo di fibrosi epatica, cirrosi, carcinoma epatico e, infine, insufficienza epatica4.
La lesione degli epatociti provoca immediatamente un aumento della rigidità epatica 5,6. Ciò influenza direttamente la funzione degli epatociti, attiva le cellule stellate epatiche (HSC) e i fibroblasti portale e provoca la loro transdifferenziazione in miofibroblasti depositanti di collagene 7,8. La deposizione di ECM fibrosa aumenta ulteriormente la rigidità epatica, creando un ciclo di feedback auto-amplificatore di irrigidimento del fegato e attivazione cellulare produttrice di matrice.
La rigidità epatica è, quindi, diventata un parametro importante nella prognosi delle malattie del fegato. Il cambiamento nelle proprietà biomeccaniche del tessuto può essere rilevato prima che la fibrosi possa essere diagnosticata mediante analisi istologica. Pertanto, sono state sviluppate varie tecniche per la misurazione della rigidità epatica sia nella ricerca che nelle applicazioni cliniche. In ambito clinico, l'elastografia transitoria (TE)9,10,11,12,13 e l'elastografia a risonanza magnetica (MRE)14,15,16,17,18 sono state impiegate per diagnosticare in modo non invasivo le prime fasi del danno epatico esaminando la rigidità epatica grossolana 19.
In TE, le onde ultrasoniche di lieve ampiezza e bassa frequenza (50 Hz) vengono propagate attraverso il fegato e viene misurata la loro velocità, che viene quindi utilizzata per calcolare il modulo elastico tissutale13. Tuttavia, questa tecnica non è utile per i pazienti con ascite, obesità o spazi intercostali inferiori a causa della trasmissione impropria delle onde ultrasoniche attraverso i tessuti che circondano il fegato9.
La MRE si basa sulla modalità di risonanza magnetica e utilizza onde di taglio meccaniche a 20-200 Hz per colpire il fegato. Una specifica sequenza di risonanza magnetica viene quindi utilizzata per tracciare le onde all'interno del tessuto e per calcolare la rigidità del tessuto16. I valori di rigidità riportati con entrambe le tecniche TE e MRE sono ben correlati con il grado di fibrosi epatica ottenuto da biopsie di campioni di fegato umano classificati utilizzando i punteggi istologici METAVIR20 (Tabella 1). TE e MRE sono stati adattati anche per la misurazione della rigidità epatica in modelli di roditori per scopi di ricerca21,22,23. Tuttavia, poiché entrambi i metodi derivano i valori di rigidezza dalla risposta del tessuto alle onde di taglio che si propagano, i valori ottenuti potrebbero non riflettere la rigidità meccanica assoluta del tessuto.
Per una caratterizzazione meccanica diretta dei fegati dei roditori, Barnes et al. hanno sviluppato un test modello-gel-tessuto (saggio MGT) che coinvolge l'incorporazione del tessuto epatico in gel di poliacrilammide24. Questo gel è compresso da una forza uniforme pulsata da cui è possibile calcolare il modulo di Young. Il test MGT mostra una buona correlazione con un test di indentazione adattato sia per il fegato normale che per quello fibrotico24 (Tabella 1).
Tabella 1: Valori di rigidità epatica a livello di massa. TE e MRE confrontati con misurazioni meccaniche dirette ex vivo di moduli elastici epatici utilizzando saggi di indentazione e MGT per fegati provenienti da fonti diverse. La relazione tra E e G è data da E = 2G (1 + v), dove v è il rapporto di Poisson del campione; F0 a F4 rappresentano il punteggio di fibrosi nel sistema di punteggio METAVIR, con F0 che indica una fibrosi bassa o assente e fegati cirrotici F4. Abbreviazioni: TE = elastografia transitoria; MRE = elastografia a risonanza magnetica; MGT = modello-gel-tessuto; E = modulo elastico (di Young); G = modulo di taglio. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Uno dei principali svantaggi delle misurazioni generiche della rigidità epatica è che non forniscono una risoluzione a livello cellulare dell'eterogeneità della rigidità nel fegato. Durante la progressione della fibrosi, le aree ricche di collagene mostrano una maggiore rigidità rispetto al parenchima circostante25,26. Questo gradiente di rigidità influenza localmente le cellule residenti e svolge un ruolo importante nel guidare l'eterogeneità HSC27. Pertanto, i cambiamenti nelle proprietà meccaniche locali durante lo sviluppo della malattia epatica devono essere caratterizzati a livello microscopico per comprendere meglio la progressione della fibrosi.
L'AFM consente di misurare le proprietà meccaniche del tessuto con alta risoluzione e alta sensibilità alla forza. AFM utilizza la punta di un cantilever per indentare la superficie di un campione con forze fino a diversi piconewton, inducendo una deformazione a livello microscopico o nanoscopico in base alla geometria e alle dimensioni della punta impiegata. La risposta forzata del campione alla deformazione applicata viene quindi misurata come deflessione nel cantilever28. Le curve forza-spostamento sono raccolte dall'avvicinamento e dalla retrazione del cantilever, che può essere dotato di opportuni modelli di meccanica di contatto per valutare la rigidità locale del campione29.
Oltre a misurare la rigidità di una determinata area, AFM può anche fornire informazioni topografiche su caratteristiche specifiche del campione, come la struttura delle fibre di collagene30,31,32. Diversi studi hanno descritto l'applicazione di AFM per misurare la rigidità di vari tessuti sani e malati, come pelle 32,33, polmone 34,35, cervello36, mammario37,38,39, cartilagine 40 o cuore41,42,43,44 da campioni di pazienti e modelli murini. Inoltre, l'AFM è stato utilizzato anche in vitro per determinare la rigidità delle cellule e degli scaffold proteici extracellulari45,46,47.
La misurazione delle proprietà meccaniche dei campioni biologici utilizzando AFM non è banale a causa della loro morbidezza e fragilità. Pertanto, vari studi hanno standardizzato diverse condizioni e impostazioni, che producono valori ampiamente fluttuanti dei moduli di Young (rivisti da Mckee et al.48). Analogamente ad altri tessuti molli, anche i valori del modulo di Young epatico a diversi gradi di fibrosi epatica mostrano ampie variazioni (Tabella 2). Le differenze nei valori del modulo di Young derivano da differenze nella modalità di funzionamento AFM, punta a sbalzo, metodo di preparazione del campione, spessore del campione, profondità e forze di indentazione, ambiente del tessuto epatico durante la misurazione e metodo di analisi (Tabella 2).
Tabella 2: Valori di rigidità epatica a livello cellulare. I valori di rigidità epatica ottenuti utilizzando AFM descrivono le proprietà meccaniche del fegato a livello cellulare. Abbreviazioni: AFM = microscopia a forza atomica; E = modulo elastico (di Young); PFA = paraformaldeide; PBS = soluzione salina tamponata con fosfato. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Questo articolo descrive un protocollo per la misurazione riproducibile dei moduli di Young di aree fibrotiche ricche di collagene nel tessuto epatico mediante AFM con una localizzazione precisa fornita dall'uso della microscopia a polarizzazione. Abbiamo somministrato tetracloruro di carbonio (CCl4) per indurre la deposizione di collagene in modo centrilobulare49 in un modello murino, imitando in modo affidabile aspetti cruciali della fibrosi epatica umana50. Le immagini microscopiche polarizzate consentono la visualizzazione del collagene nel fegato grazie alla birifrangenza delle fibre di collagene51, che consente un posizionamento accurato della punta a sbalzo sull'area di interesse desiderata all'interno del lobulo epatico52.