Living Cells Respond to the Interface Tension of Soft Solids

Há décadas, os cientistas sabem que as células vivas são sensíveis à dureza do solo sob elas. Assim como uma pessoa pode caminhar de forma diferente em uma estrada pavimentada em comparação a um campo lamacento, as células mudam sua forma, movimento e estrutura interna dependendo se estão sobre uma superfície rígida ou uma superfície macia. Essa capacidade de sentir e reagir à rigidez mecânica é chamada de mecanossensibilidade. É um processo fundamental que ajuda as células a decidirem se devem crescer, dividir-se ou mover-se, e desempenha um papel crítico em como os tecidos se formam e como doenças como o câncer se espalham. Para estudar isso, os pesquisadores normalmente cultivam células em superfícies artificiais que mimetizam o ambiente natural do corpo. Dois dos materiais mais comuns usados para essas superfícies são os hidrogéis, que são géis ricos em água semelhantes ao tecido dentro de nossos corpos, e os elastômeros, que são plásticos semelhantes à borracha.

No entanto, um enigma de longa data persiste no laboratório: as células comportam-se de forma diferente nesses dois materiais, mesmo quando são feitos para ter a mesma rigidez medida. Em uma superfície de borracha macia, as células frequentemente agem como se o material fosse muito mais rígido do que realmente é, recusando-se a se espalhar como fariam em um gel macio. Durante anos, os cientistas suspeitaram que fatores como rugosidade superficial, porosidade ou propriedades repelentes de água fossem os culpados. Mas a verdadeira razão para essa discrepância permaneceu oculta, deixando uma lacuna em nossa compreensão de como as células realmente percebem seu mundo.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tübingen acaba de descobrir a peça que faltava no quebra-cabeça. Eles descobriram que as superfícies semelhantes à borracha usadas nesses experimentos possuem uma propriedade física oculta chamada tensão de interface. Esta é uma força que atua ao longo da própria borda onde o material sólido encontra o ambiente líquido, semelhante à tensão que se sente na superfície de uma gota de água. Os pesquisadores descobriram que, em substratos de borracha macia, essa tensão de interface é surpreendentemente forte, variando de 10 a 20 milinewtons por metro. Esta força é tão significativa que efetivamente endurece a superfície do ponto de vista da célula. Quando uma célula tenta pressionar contra uma superfície de borracha macia, ela encontra não apenas a maciez da própria borracha, mas também esta resistência adicional proveniente da tensão de interface. O resultado é que a célula sente uma superfície muito mais dura do que a borracha realmente é.

Para revelar essa força invisível, a equipe utilizou uma ferramenta de imagem especializada chamada microscopia de condutância iônica de varredura. Ao contrário dos microscópios tradicionais que podem pressionar uma amostra e esmagá-la, essa técnica paira logo acima da superfície, medindo o fluxo de eletricidade através de uma minúscula ponta de vidro preenchida com líquido. Ao sondar gentilmente as superfícies de borracha com este método, os pesquisadores puderam medir o quanto o material se deformou sob uma força microscópica. Eles descobriram que, embora a borracha parecesse macia quando medida com ferramentas de grande escala, ela parecia notavelmente rígida sob a minúscula ponta do microscópio. Essa discrepância ocorreu porque a tensão de interface estava resistindo à deformação, fazendo com que a borracha macia parecesse um material muito mais duro.

Os pesquisadores então testaram se remover essa tensão mudaria o comportamento das células. Eles trataram as superfícies de borracha com uma substância conhecida como emulsificante, que é projetada para reduzir a tensão superficial. Após esse tratamento, a tensão de interface caiu significativamente, caindo para cerca de 3 a 4 milinewtons por metro. Quando cultivaram células nessas superfícies tratadas, o comportamento mudou dramaticamente. As células não agiram mais como se a superfície fosse rígida; em vez disso, elas se espalharam e comportaram-se exatamente como fariam em um hidrogel macio. Isso confirmou que as células não estavam reagindo à dureza inerente da borracha, mas sim ao efeito combinado daquela dureza e da tensão de interface.

Ao combinar essas observações, a equipe desenvolveu um modelo físico simples para explicar o fenômeno. Eles determinaram que as células sentem uma "rigidez efetiva" que é a soma da dureza real do material e um valor derivado da tensão de interface. Essa relação depende de uma escala de comprimento específica, que os pesquisadores calcularam ser de cerca de 3 micrômetros. Este tamanho corresponde aproximadamente à escala das minúsculas âncoras que as células usam para se fixarem às superfícies. O modelo sugere que, sempre que uma célula interage com um material macio, ela está essencialmente sentindo uma combinação da rigidez volumétrica do material e da tensão em sua superfície.

Esta descoberta remodela como os cientistas devem interpretar experimentos envolvendo materiais macios. Explica por que as células em substratos de borracha historicamente se comportaram de forma diferente das células em hidrogéis, mesmo quando os materiais pretendiam ser idênticos em rigidez. O estudo mostra que a tensão de interface é um fator crucial, embora frequentemente negligenciado, na mecanobiologia. Para os pesquisadores, isso significa que simplesmente igualar a rigidez de um material não é suficiente; eles devem também considerar a tensão na superfície. Ao compreender e controlar essa propriedade, os cientistas podem criar modelos mais precisos do corpo humano, levando a melhores percepções sobre como as células funcionam na saúde e na doença. O trabalho destaca que o mundo físico que as células habitam é mais complexo do que uma simples medida de dureza, envolvendo um delicado equilíbrio de forças que ditam a vida ao nível microscópico.