Living Cells Respond to the Interface Tension of Soft Solids

Da decenni, gli scienziati sanno che le cellule viventi sono sensibili alla durezza del terreno sotto di esse. Proprio come una persona potrebbe camminare diversamente su una strada asfaltata rispetto a un campo fangoso, le cellule cambiano la loro forma, il loro movimento e la loro struttura interna a seconda che si trovino su una superficie rigida o su una morbida. Questa capacità di percepire e reagire alla rigidità meccanica è chiamata meccanosensibilità. È un processo fondamentale che aiuta le cellule a decidere se crescere, dividersi o muoversi, e gioca un ruolo critico nel modo in cui i tessuti si formano e in come malattie come il cancro si diffondono. Per studiare questo fenomeno, i ricercatori coltivano tipicamente le cellule su superfici artificiali che imitano l'ambiente naturale del corpo. Due dei materiali più comuni utilizzati per queste superfici sono gli idrogel, gel ricchi d'acqua simili ai tessuti all'interno del nostro corpo, ed gli elastomeri, che sono plastiche simili alla gomma.

Tuttavia, un enigma di lunga data è persistito nei laboratori: le cellule si comportano diversamente su questi due materiali anche quando vengono resi con la stessa rigidità misurata. Su una superficie di gomma morbida, le cellule spesso agiscono come se il materiale fosse molto più rigido di quanto non sia in realtà, rifiutandosi di espandersi come farebbero su un gel morbido. Per anni, gli scienziati hanno sospettato che fattori come la rugosità superficiale, la porosità o le proprietà idrorepellenti potessero essere i responsabili. Ma la vera ragione di questa discrepanza è rimasta nascosta, lasciando un vuoto nella nostra comprensione di come le cellule percepiscano realmente il loro mondo.

Un team di ricercatori dell'Università di Tubinga ha ora scoperto il tassello mancante del puzzle. Hanno scoperto che le superfici simili alla gomma utilizzate in questi esperimenti possiedono una proprietà fisica nascosta chiamata tensione d'interfaccia. Questa è una forza che agisce lungo il bordo stesso dove il materiale solido incontra l'ambiente liquido, simile alla tensione che si avverte sulla superficie di una goccia d'acqua. I ricercatori hanno scoperto che sulle superfici di gomma morbida, questa tensione d'interfaccia è sorprendentemente forte, variando da 10 a 20 millinewton per metro. Questa forza è così significativa che rende effettivamente la superficie più rigida dal punto di vista della cellula. Quando una cellula cerca di spingere contro una superficie di gomma morbida, incontra non solo la morbidezza della gomma stessa, ma anche questa resistenza aggiuntiva derivante dalla tensione d'interfaccia. Il risultato è che la cellula percepisce una superficie molto più dura di quanto la gomma non sia realmente.

Per rivelare questa forza invisibile, il team ha utilizzato uno strumento di imaging specializzato chiamato microscopia a conduttanza ionica a scansione. A differenza dei microscopi tradizionali che potrebbero premere su un campione e schiacciarlo, questa tecnica fluttua appena sopra la superficie, misurando il flusso di elettricità attraverso una minuscola punta di vetro riempita di liquido. Sondando delicatamente le superfici di gomma con questo metodo, i ricercatori sono riusciti a misurare quanto il materiale si deformasse sotto una forza microscopica. Hanno scoperto che, mentre la gomma appariva morbida quando misurata con strumenti su larga scala, appariva straordinariamente rigida sotto la minuscola punta del microscopio. Questa discrepanza si verificava perché la tensione d'interfaccia resisteva alla deformazione, facendo apparire la gomma morbida come un materiale molto più duro.

I ricercatori hanno poi testato se rimuovere questa tensione avrebbe cambiato il comportamento delle cellule. Hanno trattato le superfici di gomma con una sostanza nota come emulsionante, progettata per abbassare la tensione superficiale. Dopo questo trattamento, la tensione d'interfaccia è diminuita significativamente, scendendo a circa 3 o 4 millinewton per metro. Quando hanno coltivato le cellule su queste superfici trattate, il comportamento è cambiato drasticamente. Le cellule non agivano più come se la superficie fosse rigida; invece, si sono espanse e si sono comportate esattamente come farebbero su un idrogel morbido. Ciò ha confermato che le cellule non stavano reagendo alla durezza intrinseca della gomma, ma piuttosto all'effetto combinato di quella durezza e della tensione d'interfaccia.

Combinando queste osservazioni, il team ha sviluppato un semplice modello fisico per spiegare il fenomeno. Hanno determinato che le cellule percepiscono una "rigidità effettiva" che è la somma della durezza reale del materiale e di un valore derivato dalla tensione d'interfaccia. Questa relazione dipende da una specifica scala di lunghezza, che i ricercatori hanno calcolato essere di circa 3 micrometri. Questa dimensione corrisponde approssimativamente alla scala delle minuscole ancore che le cellule usano per aggrapparsi alle superfici. Il modello suggerisce che ogni volta che una cellula interagisce con un materiale morbido, essa percepisce essenzialmente una combinazione della rigidità volumetrica del materiale e della tensione alla sua superficie.

Questa scoperta ridefinisce il modo in cui gli scienziati dovrebbero interpretare gli esperimenti che coinvolgono materiali morbidi. Spiega perché le cellule su substrati di gomma si siano storicamente comportate diversamente rispetto a quelle su idrogel, anche quando i materiali erano destinati ad avere la stessa rigidità. Lo studio dimosta che la tensione d'interfaccia è un fattore cruciale, sebbene spesso trascurato, nella meccanobiologia. Per i ricercatori, questo significa che non è sufficiente far corrispondere la rigidità di un materiale; devono anche tenere conto della tensione superficiale. Comprendendo e controllando questa proprietà, gli scienziati possono creare modelli più accurati del corpo umano, portando a una migliore comprensione di come le cellule funzionano nella salute e nella malattia. Il lavoro evidenzia che il mondo fisico in cui vivono le cellule è più complesso di una semplice misura di durezza, coinvolgendo un delicato equilibrio di forze che dettano la vita a livello microscopico.