$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
A capacidade do coração de bombear sangue com eficiência depende da arquitetura e das propriedades mecânicas (rigidez) de seu miocárdio, onde a organização precisa das células e tecidos é essencial para a contração coordenada e a função geral. O miocárdio é composto principalmente por cardiomiócitos (MCs), que, em adultos, exibem uma morfologia alongada, quase em forma de bastonete, com sarcômeros (a unidade contrátil dos MCs) alinhados ao longo do comprimento da célula. Em contraste, os MCs derivados de células-tronco pluripotentes fetais ou induzidas (iPSC) diferem significativamente dos CMs adultos. Eles tendem a ter uma forma mais arredondada, um único núcleo, uma estrutura sarcomérica desorganizada ou desalinhada e uma frequência de batimento irregular. A semelhança estrutural da organização in vivo do miocárdio permite a sincronia da contração e da transmissão de força; Isso é crítico e essencial para recapitular o miocárdio natural por meio de um modelo in vitro. Para gerar CMs com características estruturais semelhantes ao miocárdio maduro, estudos anteriores demonstraram estratégias bem-sucedidas para melhorar a maturação, incluindo a manipulação da rigidez do substrato 1,2, a aplicação de deformação mecânica3, a utilização de orientação de contato 4,5 ou o emprego de estimulação elétrica 6,7.
Há muito se entende que a rigidez do ambiente extracelular afeta as células. Existe uma vasta diversidade de rigidez em todo o corpo humano, variando de centenas de pascais (Pa) no cérebro e até dezenas de gigapascais (GPa) no osso 8,9,10. Verificou-se que, durante o desenvolvimento, os tecidos mudam de rigidez, e essa alteração regula a diferenciação e maturação do nível celular nos fenótipos adultos necessários para a função normal 11,12,13,14. Alterações na rigidez também têm sido associadas a estados de doença e à progressão de patologias específicas 15,16,17,18. Especificamente, a rigidez do miocárdio muda com o desenvolvimento e progressão de doenças; por exemplo, um miocárdio saudável tem um módulo de elasticidade de ~ 10 kPa em contraste com um coração com falha, que tem um módulo de elasticidade de 35-70 kPa ou mais19. Além disso, numerosos estudos in vitro relataram que cardiomiócitos cultivados em um substrato semelhante à rigidez do miocárdio nativo tiveram melhor organização do sarcômero20, geraram contração ideal 1,19 e tiveram a maior duração do potencial de ação21.
Além disso, tornou-se mais reconhecido que as células in vivo são expostas a uma variedade complexa de pistas topográficas dentro de seu microambiente que impulsionam a forma e a função. Essas pistas topográficas vêm em vários tamanhos e geometrias, desde o arranjo aleatório de integrinas em nível molecular até o alinhamento em nível de mícron das células nos tecidos musculares22,23. Semelhante a outros reguladores mecânicos, a topografia é importante para a morfologia celular, como espalhamento, alongamento, alinhamento, motilidade, diferenciação e apoptose 24,25,26. Com a introdução de substratos de cultura sintéticos, foram desenvolvidos métodos para criar topografia de superfície controlada para cultura de células e tecidos 27,28,29. Por exemplo, nano e micro-sulcos micropadronizados têm sido usados para fornecer orientação de contato para células de mamíferos, de modo que as células orientem e remodelem seu citoesqueleto para seguir as estruturas topográficas do substrato de cultura.
Aqui, apresentamos um método de cultura in vitro que integra orientação estrutural (sugestão de contato) e mecânica (rigidez) usando um substrato de elastômero magnetoreológico padronizado (MRE), um material ajustável que pode ser endurecido ou amolecido ajustando a força do campo magnético 17,30,31,32. Ao posicionar ímãs próximos ao substrato de cultura, a rigidez pode ser aumentada, com o grau de enrijecimento modificável variando a distância entre a amostra e o ímã. Por outro lado, a rigidez pode ser reduzida removendo completamente o ímã. Essa abordagem fornece um método robusto, dinâmico e controlável para replicar as condições mecânicas in vivo, enquanto a micropadronização de superfície introduz anisotropia, permitindo a criação de substratos de cultura de células 2D mais biomiméticos.