$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
La capacità del cuore di pompare il sangue in modo efficiente si basa sull'architettura e sulle proprietà meccaniche (rigidità) del suo miocardio, dove l'organizzazione precisa delle cellule e dei tessuti è essenziale per la contrazione coordinata e la funzione generale. Il miocardio è composto principalmente da cardiomiociti (CM), che, negli adulti, mostrano una morfologia allungata, quasi a bastoncello, con sarcomeri (l'unità contrattile dei CM) allineati lungo la lunghezza della cellula. Al contrario, i CM derivati da cellule staminali pluripotenti fetali o indotte (iPSC) differiscono significativamente dai CM adulti. Tendono ad avere una forma più arrotondata, un nucleo unico, una struttura sarcomerica disorganizzata o non allineata e una frequenza di battimento irregolare. La somiglianza strutturale dell'organizzazione in vivo del miocardio consente la sincronia della contrazione e della trasmissione della forza; Questo è fondamentale ed essenziale per ricapitolare il miocardio naturale attraverso un modello in vitro. Per generare CM con caratteristiche strutturali simili al miocardio maturo, studi precedenti hanno dimostrato strategie di successo per migliorare la maturazione, tra cui la manipolazione della rigidità del substrato 1,2, l'applicazione di una deformazione meccanica3, l'utilizzo della guida a contatto 4,5 o l'impiego della stimolazione elettrica 6,7.
È stato a lungo compreso che la rigidità dell'ambiente extracellulare influisce sulle cellule. Esiste una vasta diversità di rigidità in tutto il corpo umano, che va da centinaia di pascal (Pa) nel cervello e fino a decine di gigapascal (GPa) nell'osso 8,9,10. È stato riscontrato che durante lo sviluppo, i tessuti cambiano rigidità e questa alterazione regola la differenziazione e la maturazione a livello cellulare nei fenotipi adulti necessari per la normale funzione 11,12,13,14. I cambiamenti nella rigidità sono stati anche collegati agli stati patologici e alla progressione di specifiche patologie 15,16,17,18. Nello specifico, la rigidità del miocardio cambia con lo sviluppo e la progressione delle malattie; ad esempio, un miocardio sano ha un modulo elastico di ~ 10 kPa in contrasto con un cuore in insufficienza cardiaca, che ha un modulo elastico di 35-70 kPa o più19. Inoltre, numerosi studi in vitro hanno riportato che i cardiomiociti coltivati su un substrato simile alla rigidità del miocardio nativo avevano una migliore organizzazione del sarcomero20, generavano una contrazione ottimale 1,19 e avevano la durata del potenziale d'azione più lunga21.
Inoltre, è diventato più noto che le cellule in vivo sono esposte a una complessa varietà di segnali topografici all'interno del loro microambiente che guidano la forma e la funzione. Questi indizi topografici sono disponibili in varie dimensioni e geometrie, dalla disposizione casuale delle integrine a livello molecolare all'allineamento a livello di micron delle cellule nei tessuti muscolari 22,23. Simile ad altri regolatori meccanici, la topografia è importante per la morfologia cellulare, come la diffusione, l'allungamento, l'allineamento, la motilità, la differenziazione e l'apoptosi 24,25,26. Con l'introduzione di substrati di coltura sintetici, sono stati sviluppati metodi per creare una topografia superficiale controllata per la coltura di cellule e tessuti 27,28,29. Ad esempio, nano e microsolchi micromodellati sono stati utilizzati per fornire una guida di contatto per le cellule di mammifero in modo che le cellule orientino e rimodellino il loro citoscheletro per seguire le strutture topografiche del substrato di coltura.
Qui, introduciamo un metodo di coltura in vitro che integra sia la guida strutturale (segnale di contatto) che quella meccanica (rigidità) utilizzando un substrato di elastomero magnetoreologico modellato (MRE), un materiale sintonizzabile che può essere irrigidito o ammorbidito regolando l'intensità del campo magnetico 17,30,31,32. Posizionando i magneti vicino al substrato di coltura, è possibile aumentare la rigidità, con il grado di irrigidimento modificabile variando la distanza tra il campione e il magnete. Al contrario, la rigidità può essere ridotta rimuovendo completamente il magnete. Questo approccio fornisce un metodo robusto, dinamico e controllabile per replicare le condizioni meccaniche in vivo, mentre il micropatterning di superficie introduce anisotropia, consentendo la creazione di substrati di colture cellulari 2D più biomimetici.