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

Os tendões são os tecidos resistentes, semelhantes a cordas, que conectam o músculo ao osso, permitindo-nos mover com força e precisão. Dentro desses tecidos, células especializadas chamadas fibroblastos de tendão atuam como a equipe de construção, constantemente construindo e reparando a matriz extracelular. Esta matriz é um arcabouço complexo de proteínas, principalmente colágeno, que confere ao tendão sua estrutura e capacidade de suportar força. Para que essas células façam seu trabalho corretamente, elas devem ser capazes de sentir o ambiente físico ao seu redor. Elas sentem a rigidez dos materiais nos quais estão inseridas e ajustam seu comportamento de acordo. Se o ambiente for muito macio ou muito duro, ou se as células estiverem presas de uma forma que as impeça de se mover, o trabalho de construção pode dar errado, levando a lesões ou a uma má cicatrização. Compreender exatamente como essas células interpretam seus arredores físicos é crucial para desenvolver melhores tratamentos para lesões de tendão e para projetar materiais artificiais que possam ajudar a reparar o tecido danificado.

Cientistas sabem há muito tempo que a rigidez de uma superfície influencia como as células se comportam, mas as regras mudam dependendo se as células estão sentadas em uma superfície plana ou flutuando dentro de um gel tridimensional. Em um mundo plano, bidimensional, as células geralmente se espalham mais e tornam-se mais ativas quando colocadas em uma superfície mais rígida. No entanto, quando as células estão presas dentro de um gel tridimensional, as regras muitas vezes se invertem: um gel mais rígido pode, na verdade, espremer a célula, tornando mais difícil para ela se espalhar e fazer seu trabalho. Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade de Michigan buscou entender como essas diferentes regras se aplicam aos fibroblastos de tendão e, mais especificamente, como elas afetam o novo material que essas células constroem. A equipe queria saber se a dimensionalidade do ambiente — plano versus tridimensional — altera a maneira como as células do tendão respondem à rigidez e depositam sua nova matriz.

Para investigar isso, os pesquisadores utilizaram um tipo especializado de gel feito de ácido hialurônico, uma substância natural encontrada no corpo, que eles modificaram para permitir que pudessem ajustar sua rigidez precisamente. Eles cultivaram fibroblastos de tendão de caudas de camundongos e os colocaram em duas configurações diferentes. Na primeira configuração, as células foram semeadas sobre géis planos com níveis de rigidez de 10 e 25 quilopascais. Na segunda configuração, as células foram encapsuladas dentro de géis tridimensionais com níveis de rigidez de 5, 10 e 50 quilopascais. Para ver exatamente qual novo material as células estavam produzindo, os cientistas utilizaram uma técnica de rotulagem inteligente. Eles alimentaram as células com uma molécula de açúcar que as células incorporaram em suas novas proteínas construídas. Mais tarde, adicionaram uma etiqueta brilhante que se ligava especificamente a esse açúcar, permitindo-lhes ver a nova matriz nascente conforme ela era depositada ao redor das células.

Nas culturas planas, bidimensionais, os resultados seguiram o padrão esperado. Quando as células estavam no gel mais rígido, elas se espalhavam mais, tornando-se mais chatas e maiores. Esse espalhamento foi acompanhado por uma mudança na sinalização interna da célula, especificamente o movimento de uma proteína chamada YAP para o núcleo da célula, que atua como um interruptor para o crescimento e a produção de matriz. Como resultado, as células no gel mais rígido de 25 quilopascais depositaram significativamente mais nova matriz do que aquelas no gel mais macio de 10 quilopascais. Os pesquisadores observaram que a nova matriz começava como pequenos pontos perto da célula, mas eventualmente crescia em redes fibrosas contínuas, um processo que ocorria ao longo do tempo, independentemente da rigidez, embora a quantidade total fosse maior na superfície mais rígida.

A história mudou completamente quando as células foram colocadas dentro dos géis tridimensionais. Aqui, a relação entre rigidez e comportamento celular foi invertida. As células nos géis mais macios, de 5 e 10 quilopascais, conseguiram se espalhar um pouco mais e mostraram níveis mais altos da proteína YAP em seus núcleos em comparação com as células no gel 3D mais rígido de 50 quilopascais. As células no gel 3D rígido permaneceram pequenas e arredondadas, presas pela rede apertada do material. Consequentemente, a quantidade de nova matriz que elas depositaram foi menor no gel rígido do que nos mais macios. Curiosamente, as células no gel de 10 quilopascais produziram a maior quantidade de nova matriz de todas, até mesmo mais do que as do gel de 5 quilopascais, sugerindo que existe uma rigidez ideal para a produção de matriz em três dimensões que é distinta da tendência observada em culturas planas.

Os pesquisadores também analisaram as instruções genéticas dentro das células para entender o que elas planejavam construir. Eles descobriram que as células nos géis 3D mais macios ativaram genes associados à formação saudável de tendão, como os de colágeno tipo I e tenascina C. Em contraste, as células no gel rígido de 50 quilopascais reduziram esses genes específicos de tendão e, em vez disso, mostraram sinais de um estado diferente, menos semelhante ao de tendão. Elas produziram menos do colágeno específico que forma o ambiente pericelular das células do tendão e mais de um tipo diferente de colágeno normalmente encontrado em membranas basais. Essa mudança na programação genética confirmou que o confinamento físico do gel rígido estava alterando fundamentalmente a identidade da célula e sua capacidade de funcionar como um construtor de tendão.

O estudo destaca que a dimensionalidade do ambiente é um fator crítico em como as células do tendão percebem e respondem ao seu entorno. Embora uma superfície mais rígida incentive a produção de matriz em uma cultura plana, um gel tridimensional mais rígido pode, na verdade, suprimi-la ao restringir fisamente a célula e alterar seu programa genético. Essa descoberta sugere que tornar um material simplesmente mais rígido nem sempre é a resposta para estimular a reparação de tecidos. Em vez disso, o design de biomateriais para a cura de tendões deve levar em conta a natureza tridimensional do tecido, garantindo que o material seja macio o suficiente para permitir que as células se espalhem e ativem seus genes de construção de tendão, mas estruturado o suficiente para suportar a formação de uma nova matriz robusta. Ao mapear essas interações complexas, os pesquisadores forneceram um guia mais claro para a criação de ambientes artificiais que possam apoiar efetivamente os mecanismos naturais de reparação do corpo.