Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

I tendini sono i tessuti robusti, simili a corde, che collegano il muscolo all'osso, permettendoci di muoverci con forza e precisione. All'interno di questi tessuti, cellule specializzate chiamate fibroblasti tendinei agiscono come una squadra di costruzione, che edifica e ripara costantemente la matrice extracellulare. Questa matrice è un complesso impalcatura di proteine, principalmente collagene, che conferisce al tendine la sua struttura e la capacità di resistere alla forza. Affinché queste cellule possano svolgere il loro lavoro correttamente, devono essere in grado di percepire l'ambiente fisico circostante. Esse percepiscono la rigidità dei materiali in cui sono immerse e regolano il proprio comportamento di conseguenza. Se l'ambiente è troppo morbido o troppo duro, o se le cellule sono intrappolate in modo da impedire loro di muoversi, il lavoro di costruzione può andare storto, portando a lesioni o a una guarigione scarsa. Comprendere esattamente come queste cellule interpretano il loro ambiente fisico è fondamentale per sviluppare trattamenti migliori per le lesioni tendinee e per progettare materiali artificiali che possano aiutare a riparare il tessuto danneggiato.

Gli scienziati sanno da tempo che la rigidità di una superficie influenza il comportamento delle cellule, ma le regole cambiano a seconda che le cellule si trovino su una superficie piatta o stiano fluttuando all'interno di un gel tridimensionale. In un mondo piatto e bidimensionale, le cellule generalmente si espandono di più e diventano più attive quando poste su una superficie più rigida. Tuttavia, quando le cellule sono intrappolate all'interno di un gel tridimensionale, le regole spesso si invertono: un gel più rigido può effettivamente schiacciare la cellula, rendendo più difficile per essa espandersi e svolgere il proprio lavoro. Uno studio condotto da ricercatori dell'Università della Pennsylvania e dell'Università del Michigan si è posto l'obiettivo di vedere come queste diverse regole si applichino ai fibroblasti tendinei e, più specificamente, come influenzino il nuovo materiale che queste cellule costruiscono. Il team voleva sapere se la dimensionalità dell'ambiente — piatto rispetto a tridimensionale — cambi il modo in cui le cellule tendinee rispondono alla rigidità e depositano la loro nuova matrice.

Per investigare su questo, i ricercatori hanno utilizzato un tipo specializzato di gel fatto di acido ialuronico, una sostanza naturale presente nel corpo, che hanno modificato per permettere loro di regolare con precisione la rigidità. Hanno coltivato fibroblasti tendinei da code di topo e li hanno posti in due configurazioni diverse. Nella prima configurazione, le cellule sono state seminate sopra gel piatti con livelli di rigidità di 10 e 25 kilopascal. Nella seconda configurazione, le cellule sono state incapsulate all'interno di gel tridimensionali con livelli di rigidità di 5, 10 e 50 kilopascal. Per vedere esattamente quale nuovo materiale stavano producendo le cellule, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica di etichettatura ingegnosa. Hanno nutrito le cellule con una molecola di zucchero che le cellule hanno incorporato nelle loro proteine appena costruite. Successivamente, hanno aggiunto un tag fluorescente che si attaccava specificamente a questo zucchero, permettendo loro di vedere la nuova matrice nascente mentre veniva depositata attorno alle cellule.

Nelle colture piatte, bidimensionali, i risultati hanno seguito il modello previsto. Quando le cellule erano sul gel più rigido, si espandevano di più, diventando più piatte e grandi. Questa espansione era accompagnata da un cambiamento nella segnalazione interna della cellula, specificamente il movimento di una proteina chiamata YAP nel nucleo della cellula, che funge da interruttore per la crescita e la produzione di matrice. Di conseguenza, le cellule sul gel più rigido da 25 kilopascal hanno depositato significativamente più nuova matrice rispetto a quelle sul gel più morbido da 10 kilopascal. I ricercatori hanno osservato che la nuova matrice iniziava come piccoli punti vicino alla cellula, ma col tempo si trasformava in reti fibrose continue, un processo che avveniva indipendentemente dalla rigidità, sebbene la quantità totale fosse maggiore sulla superficie più rigida.

La storia è cambiata completamente quando le cellule sono state poste all'interno dei gel tridimensionali. Qui, la relazione tra rigidità e comportamento cellulare è stata invertita. Le cellule nei gel più morbidi, a 5 e 10 kilopascal, sono state in grado di espandersi leggermente di più e hanno mostato livelli più alti della proteina YAP nei loro nuclei rispetto alle cellule nel gel 3D più rigido da amenti 50 kilopascal. Le cellule nel gel 3D rigido sono rimaste piccole e tonde, intrappolate dalla fitta rete del materiale. Di conseguenza, la quantità di nuova matrice depositata era inferiore nel gel rigido rispetto a quelli più morbidi. Interessante è che le cellule nel gel da 10 kilopascal hanno prodotto la nuova matrice di più tra tutte, persino più di quelle nel gel da 5 kilopascal, suggerendo che esiste una rigidità ottimale per la produzione di matrice in tre dimensioni che è distinta dalla tendenza osservata nelle colture piatte.

I ricercatori hanno anche esaminato le istruzioni genetiche all'interno delle cellule per capire cosa intendessero costruire. Hanno scoperto che le cellule nei gel 3D più morbidi attivavano geni associati alla sana formazione del tendine, come quelli per il collagene di tipo I e la tenascina C. Al contrario, le cellule nel gel rigido da 50 kilopascal hanno ridotto l'espressione di questi geni specifici del tendine e hanno invece mostrato segni di uno stato diverso, meno simile a quello del tendine. Producevano meno del collagene specifico che forma l'ambiente pericellulare delle cellule del tendine e più di un altro tipo di collagene solitamente presente nelle membrane basali. Questo spostamento nella programmazione genetica ha confermato che il confinamento fisico del gel rigido stava alterando fondamentalmente l'identità della cellula e la sua capacità di funzionare come costruttore di tendine.

Lo studio evidenzia che la dimensionalità dell'ambiente è un fattore critico nel modo in cui le cellule tendinee percepiscono e rispondono al loro ambiente. Mentre una superficie più rigida incoraggia la produzione di matrice in una coltura piatta, un gel tridimensionale più rigido può effettivamente sopprimerla, restringendo fisamente la cellula e cambiando il suo programma genetico. Questo risultato suggerisce che rendere un materiale semplicemente più rigido non è sempre la soluzione per incoraggiare la riparazione dei tessuti. Invece, la progettazione di biomateriali per la guarigione dei tendini deve tenere conto della natura tridimensionale del tessuto, assicurando che il materiale sia abbastanza morbido da permettere alle cellule di espandersi e attivare i loro geni costruttori di tendine, ma allo stesso tempo abbastanza strutturato da supportare la formazione di una nuova matrice robusta. Mappando queste complesse interazioni, i ricercatori hanno fornito una guida più chiara per creare ambienti artificiali che possano supportare efficacemente i naturali meccanismi di riparazione del corpo.