Магнитореологические эластомеры с микроструктурой стимулируют изменения в выравнивании кардиомиоцитов
10 июня 2025 г.
Мы представляем динамическую и обратимую платформу для измерения жесткости, изготовленную с использованием ультрамягкого силиконового эластомера (полидиметилсилоксана, PDMS) со встроенными частицами железа. Этот новый анализ подходит для изучения возникающих физических изменений в фенотипах клеток, зависящих от времени, включая контроль контакта. Здесь мы измеряем выравнивание кардиомиоцитов неонатальной крысы при усилении матрицы с помощью магнетизма.
Мы изучаем, как кардиомиоциты реагируют на динамические обратимые изменения в механической среде, имитируя колебания жесткости и структуры, которые они испытывают in vivo. С момента внедрения MRE мы опубликовали несколько важных исследований в области кардиологии. Используя эти материалы, мы обнаружили, что гипертрофия, вызванная жесткостью, у взрослых кардиомиоцитов зависит от микротрубочков.
В последнее время мы обнаружили больше информации о механической памяти как в кардиальных фибробластах, так и в кардиомиоцитах, полученных из iPSC. Лучшая часть использования магнитореологических эластомеров — это их простота. Наши протоколы сами по себе просты — это просто сочетание готовых продуктов, работающих вместе для создания чего-то мощного.
Это простой в использовании подход, который делает передовую науку доступной для всех. Это открыло путь к более реалистичным моделям заболеваний, особенно при таких состояниях, как сердечная недостаточность, когда механизмы ткани постоянно меняются. Это также помогает исследователям разрабатывать более умные биоматериалы, которые легко настраиваются, динамично и обратимы.
Наша команда в основном сосредоточена на сердечно-сосудистых заболеваниях, но недавно мы расширили динамический самый жесткий диапазон наших MRE с 5 килопаскалей до 400 килопаскалей. Этот прорыв открывает нам дверь для расширения наших исследований и сотрудничества с другими органами за пределами сердца. Для начала смешайте основу и отверждающее вещество в соотношении 10 к 1, чтобы получить 10 граммов 184 полидиметилсилоксана, или PDMS.
Налейте пять граммов 184 PDMS в чашку Петри диаметром 35 мм. Затем поместите блюдо в сушитель и дегазируйте примерно пять-десять минут, пока все пузырьки не рассеются. Дайте 184 PDMS частично засохнуть 30 минут в духовке при 60 градусах Цельсия.
Когда осталось пять минут для затвердевания, нанесите тонкий слой дополнительного 184 PDMS на поверхность дифракционной решётки. Поместите её в осушитель для дегазировки примерно на пять минут. Теперь достаньте из духовки чашку Петри диаметром 35 миллиметров с частично высушенным 184 PDMS.
Переверните дифракционную решётку с помощью PDMS на частично застывшие 184 PDMS в тарелке. Слегка нажимайте на дифракционную решётку, пока вокруг неё не появится небольшое количество PDMS. Используйте оставшиеся незасоленные 184 PDMS, чтобы заполнить тарелку вокруг решётки и убедиться, что она остаётся на месте во время засолкивания.
Затем поставьте блюдо в духовку при 60 градусах Цельсия на 1,5 часа. После засолки достаньте блюдо вместе с теркой из духовки. Используйте скальпель, чтобы обрезать дифракционную решётку.
Нанесите небольшое количество изопропилового спирта, чтобы проникнуть под дифракционную решётку. Оттяните решётку с PDMS в направлении, параллельном узорам. Удалите лишний PDMS, оставив только узорный участок нетронутым.
Затем вырежьте штамп PDMS до нужного размера. Отметьте направление рисунка на антенне MRE. Чтобы покрыть штамп силаном, поместите изготовленный штамп 184 PDMS в очиститель кислородной плазмы с узорчатой поверхностью, направленной вверх.
Обработайте поверхность кислородной плазмой мощностью 45 ватт в течение 30 секунд. Поместите обработанные штампы 184 PDMS внутри сушителя, расположенного в вытяжной вытяжке. Теперь снимите крышку с микроцентрифугной трубки.
Разместите крышку микроцентрифугной трубки рядом с штампами PDMS внутри десикатора. Пипетте 20 микролитров силана на крышку трубки микроцентрифуги. Закройте осушитель и сделайте вакуум, чтобы инициировать паровое покрытие.
Для подготовки MRE измерьте желаемое количество силиконового растворителя и ECO эластомера части B. Смешайте их со скоростью 2 500 оборотов в минуту в скоростном миксере в течение одной минуты. Добавьте в смесь ECO эластомера часть A и частицы карбонилового железа и снова перемешайте со скоростью 2 500 оборотов в минуту в течение одной минуты. С помощью трансферной пипетки с отрезом наконечника насыпьте пять граммов смеси MRE в новую чашку Петри диаметром 35 миллиметров.
Дега в сушителе примерно пять минут, затем частично застывать в духовке при 60 градусах Цельсия 10 минут. Когда осталось пять минут для отверждения, используйте трансферную пипетку, чтобы добавить неотверждённую MRE и просто покрыть узорчатую поверхность штампа PDMS. Поместите покрытый штамп в сушитель для дегазировки на пять минут.
Вынимите частично высушенную MRE тарелку из духовки. С помощью щипцов переверните покрытый штамп лицевой стороной вниз на поверхность MRE и слегка прижмите. Отметьте направление рисунка на антенне MRE.
Поставьте сборку обратно в духовку при 60 градусах Цельсия ещё на 25 минут. После полного отверждения материал используйте скальпель, чтобы нанести MRE по нижнему краю штампы в направлении, перпендикулярном линиям узора. Нанесите небольшое количество изопропилового спирта на разрезанную область вокруг штампова.
Затем с помощью щипцов оттащит штамп PDMS с MRE в направлении, параллельном узору. Простерилизуйте поверхность MRE, промывая 70% этанолом три раза, и оставьте третью стирку постоять 20 минут. Затем трижды промой поверхность MRE стерильным PBS.
Покрыть поверхность MRE 10 микрограммами на миллилитр фибронектина в PBS, содержащем магний и кальций, в течение часа при температуре 37 градусов Цельсия, чтобы стимулировать адгезию клеток к устройству. Наконец, трижды промыйте поверхность MRE PBS, содержащим магний и кальций, и засейте кардиомиоциты новорождённых крыс с плотностью 20 000 клеток на квадратный сантиметр. Точность переноса микропаттерна от главной формы к субстрату MRE демонстрируется на этом рисунке с помощью нормализованных профилей высоты и количественных измерений танга и высоты элементов.
Сравнение профиля X показало, что нормализованный профиль высоты элементов MRE очень близок к профилю мастер-формы, хотя с немного уменьшенной высотой пиков и более широкими формами элементов. Средний шаг подложки MRE составлял примерно 10 микрометров и не отличался существенно от шага основной формы. Средняя высота элементов на подложке MRE была значительно ниже, чем у основной формы, со средними значениями 3,81 и 5,49 микрометра соответственно.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании представлена новая платформа для анализа жесткости с использованием сверхмягкого силиконового эластомера с внедренными частицами железа. Платформа предназначена для изучения зависящих от времени физических изменений фенотипов клеток, в частности, выравнивания кардиомиоцитов в ответ на повышение жесткости матрикса.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Кардиология
- Клеточная биология
- Биомеханика
Теоретическая часть
- Кардиомиоциты чувствительны к механическим изменениям в окружающей среде.
- Понимание гипертрофии, вызванной жесткостью, имеет решающее значение для здоровья сердца.
- Магнитореологические эластомеры предлагают уникальный подход к изучению механических свойств.
- Предыдущие исследования подчеркнули роль сетей микротрубочек в ответе кардиомиоцитов.
Цель исследования
- Изучить, как кардиомиоциты новорожденных крыс ориентируются в ответ на динамические изменения жесткости.
- Имитировать механические колебания in vivo в контролируемой среде.
- Углубить понимание механической памяти в клетках сердца.
Используемые методы
- Создание платформы для анализа жесткости с использованием PDMS и частиц железа.
- Измерение ориентации кардиомиоцитов при увеличении жесткости матрикса.
- Использование магнитных свойств для индукции изменений жесткости.
- Анализ клеточных ответов на различные механические условия среды.
Основные результаты
- Кардиомиоциты продемонстрировали выравнивание, коррелирующее с жесткостью матрикса.
- Динамические изменения жесткости влияли на фенотипическое поведение клеток.
- Аналитическая платформа оказалась эффективной для изучения механических свойств.
- Полученные результаты способствуют пониманию реакций клеток сердца на механические стимулы.
Выводы
- Разработанная платформа представляет собой ценный инструмент для изучения механики кардиомиоцитов.
- Результаты указывают на важность механической среды для поведения сердечных клеток.
- В будущих исследованиях данная платформа может быть использована для изучения других типов клеток.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для отрасли
Динамический контроль жесткости и топографии подложки с помощью микроструктурированных магнитореологических эластомеров (МРЭ) позволяет проводить тщательное исследование механобиологии кардиомиоцитов в физиологически релевантных, изменяющихся во времени условиях. Данная платформа восполняет критический пробел в моделировании флуктуирующих механических микросред, характерных для сердечных заболеваний, что повышает прогностическую достоверность на этапах раннего поиска и валидации мишеней. Такой подход обеспечивает трансляционную преемственность — от понимания механизмов до моделирования систем, релевантных для заболевания, что позволяет принимать обоснованные решения по управлению портфелем с учетом рисков.
Стратегическое применение в исследованиях и разработках биофармацевтики
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет точно проверять гипотезы о механотрансдукции в кардиомиоцитах в условиях динамической нагрузки.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней путем изоляции эффектов обратимой жесткости и топографических сигналов.
- Способствует механистическому снижению рисков для моделей сердечных заболеваний путем имитации биомеханических колебаний in vivo.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированную, воспроизводимую подложку для количественной оценки выравнивания клеток и фенотипических изменений.
- Предоставляет готовые к анализу платформы с регулируемыми механическими свойствами для оценки соединений в контекстах, соответствующих конкретным заболеваниям.
- Обеспечивает масштабируемость и повторное использование платформы в рамках многочисленных кампаний по скринингу в области механобиологии и кардиологии.
Трансляционные и доклинические исследования
- Приводит механическое воздействие in vitro в соответствие с клинически значимыми патофизиологическими изменениями сердца, такими как инфаркт миокарда.
- Обеспечивает преемственность между исследованиями механизмов на этапе обнаружения и доклинической валидацией терапевтических гипотез.
- Повышает прогностическую ценность разработки трансляционных биомаркеров в области тканевой инженерии сердца и моделирования заболеваний.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод на основе МРЭ встраивается в континуум от открытия до доклинических исследований, обеспечивая возможность проведения направленных гипотезами исследований в области механобиологии, разработки анализов и трансляционного моделирования сердечных заболеваний.
- Открытия в биологии: облегчает проверку нулевой гипотезы о влиянии механической нагрузки на ориентацию и фенотип кардиомиоцитов.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные показатели ориентации клеток и точности субстрата для стандартизации анализа.
- Аналитика: позволяет количественно измерять шаг структур, их высоту и клеточный ответ на динамические изменения жесткости.
- Трансляционные исследования: связывает результаты изучения механизмов in vitro с релевантными для заболеваний доклиническими моделями сердечной патологии.
- Корпоративное использование: представляет собой модульную, адаптируемую платформу для исследований в области механобиологии сердечно-сосудистой системы и других систем органов.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неоднозначность при валидации кардиальных мишеней.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизированные, масштабируемые и воспроизводимые рабочие процессы для исследований в области механобиологии.
- Стратегическая ценность: Позволяет принимать обоснованные решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и эффективно использовать капитал при продвижении программ по поиску новых кардиальных терапевтических средств.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритезацию мишеней и моделей с учетом рисков для кардиальных и более широких механобиологических программ разработки.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области механобиологии, изготовления подложек и количественного анализа клеток.
- Необходим доступ к инструментам для подготовки PDMS/MRE, средствам управления магнитным полем и инфраструктуре для визуализации.
- Требуется межкомандная стандартизация создания паттернов подложек и характеристики механических свойств.
- Методика может быть адаптирована для других типов клеток и систем органов путем модификации протокола в зависимости от диапазона доступных подложек.
- Практические ограничения включают точность переноса микропаттернов и достижимые размеры элементов.
