$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Le cellule hanno la capacità di percepire e rispondere agli stimoli meccanici all'interno del loro microambiente esterno 1,2,3, che sono cruciali per regolare vari processi cellulari, tra cui l'adesione, la migrazione, la proliferazione e la differenziazione4. In vivo, le proprietà meccaniche del microambiente tissutale mostrano una significativa eterogeneità spaziale, con variazioni nella rigidità della matrice osservate sia in contesti fisiologici - come nelle giunzioni tra osso e muscolo - sia in condizioni patologiche, come all'interno dei tumori 5,6,7. Un'indagine completa di questi fattori meccanici è essenziale per comprendere i meccanismi regolatori che regolano il comportamento cellulare. Questi meccanismi sono fondamentali in processi come lo sviluppo dei tessuti, la progressione della malattia e il processo di rigenerazione e riparazione 8,9.
Per simulare questo complesso microambiente meccanico in vitro, gli idrogel o gli elastomeri sono ampiamente utilizzati per creare substrati con rigidità variabile regolando il grado di reticolazione o il rapporto dei componenti 3,10,11,12,13. Tuttavia, questi metodi spesso provocano variazioni di rigidità discrete che non riescono a riprodurre i gradienti di rigidità continui su microscala che imitano accuratamente le condizioni fisiologiche 13,14,15,16,17. Studi recenti hanno esplorato tecniche come la reticolazione ottica (ad esempio, l'utilizzo di una fotomaschera per regolare l'esposizione ai raggi UV)18, la miscelazione multicanale microfluidica19,20 e le medie guidate dalla diffusione21 per costruire gradienti di rigidità. Sfortunatamente, questi approcci possono essere tecnicamente complessi e introdurre variabili aggiuntive, come la dimensione della maglia22, il rigonfiamento23,24 e la topografia25. L'introduzione di fattori di disturbo complica l'interpretazione delle risposte cellulari alla rigidità. Un sistema PDMS a doppio strato, che utilizza array di micropilastri o modelli a scacchiera come struttura di supporto, è stato adottato per creare substrati di coltura cellulare con gradienti di rigidità26,27. Questi approcci si basano su supporti sottostanti discreti sotto una membrana chimicamente omogenea per ottenere la modulazione della rigidità isotropa, fornendo preziose piattaforme per studiare l'adesione e la diffusione cellulare. Tuttavia, il microambiente cellulare nativo in vivo è spesso altamente anisotropo nelle sue proprietà meccaniche28,29. Si ipotizza che questa segnalazione meccanica direzionale influenzi profondamente gli eventi biologici fondamentali. Pertanto, le attuali strategie di biofabbricazione sono limitate nella loro capacità di replicare le sottili interazioni cellula-rigidità osservate in vivo, che dipendono dall'imitazione accurata dei gradienti di rigidità su microscala e dell'eterogeneità spaziale all'interno di substrati caricati con cellule.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che le cellule possono percepire l'effettiva rigidità degli oggetti rigidi anche quando non sono in contatto cellulare diretto30. Sulla base di questo studio, introduciamo un nuovo substrato di coltura cellulare di polidimetilsilossano (PDMS) a doppio strato che genera gradienti di rigidità controllati su scale spaziali che vanno da 5 a 50 μm, allineandosi con l'intervallo di dimensioni rilevante per il meccanosensing subcellulare e a singola cellula. Il substrato è costituito da due strati distinti: un sottostrato PDMS rigido con microstrutture geometriche regolabili e un sovrastrato PDMS morbido uniforme e piatto che funge da superficie di contatto con le cellule. Questo design consente la modulazione meccanica esclusivamente attraverso variazioni nella geometria della sottostruttura, mantenendo la chimica e la topografia della superficie coerenti. Di conseguenza, disaccoppia efficacemente il segnale di rigidità da altri segnali fisici e chimici, offrendo un sistema biologicamente più rilevante per la modulazione della rigidità.
A differenza dei tradizionali substrati a base di idrogel, il nostro approccio consente studi meccanici a variabile singola senza interferenze dovute a rigonfiamenti, dimensioni della mesh o topologia della superficie. Il substrato è semplice da fabbricare utilizzando la litografia morbida standard ed è altamente riproducibile31. È inoltre compatibile con la microscopia ad alta risoluzione, il che lo rende particolarmente adatto per l'imaging in tempo reale e gli studi quantitativi delle risposte cellulari ai segnali di rigidità su microscala. Questo manoscritto presenta il protocollo di fabbricazione completo, descrive in dettaglio la strategia di controllo dei parametri e dimostra l'utilità del substrato con esperimenti di coltura cellulare rappresentativi. In definitiva, questo approccio fornisce uno strumento in vitro robusto e accessibile per esplorare le risposte cellulari a un gradiente di rigidità su microscala.