Introduzione: L'interazione tra forza e forma

In un ambiente controllato di un piatto culturale, le cellule sono lontane dagli abitanti passivi. Essi percepiscono costantemente, interpretano e rispondono alle implicazioni fisiche esercitate su di loro. Questo fenomeno, noto come mechanotransduction, colma il divario tra il mondo fisico extracellulare e i macchinari molecolari intracellulari. Lo stress meccanico – le forze che subiscono lo sviluppo di cellule come stretch, compressione e shear – influenza direttamente la morfologia cellulare, un termine che descrive la forma, dimensione e le forze interne

Tipi chiave di Stress meccanico in cultura

Le cellule nella cultura sperimentano una serie di sollecitazioni meccaniche che possono essere applicate deliberatamente dai ricercatori o che si presentano in modo accidentale dall'ambiente culturale.

Traslazione (Tensile Stress)

Le forze di allungamento allungano le cellule nella direzione della tensione applicata. Questo è comunemente studiato utilizzando piastre di cultura flessibile-bottomed o membrane che sono ciclicamente o staticamente deformate. Le cellule rispondono allineando il loro citoscheletro e spesso se stesse lungo l'asse di stretch.

Compressione (Sforzo Compressivo)

Le forze compressione spingono insieme le cellule, riducendo lo spazio extracellulare e alterando la geometria cellulare. In cultura, la compressione può essere applicata attraverso il carico diretto (ad esempio, i pesi su un pistone) o con le celle di contenimento all'interno di idrogeli di varia rigidità. Le cellule compresse spesso diventano arrotondate o appiattite, con cambiamenti nella forma nucleare e nel volume. La compressione è rilevante per la cartilagine e la biologia ossea, dove le cellule subiscono carichi di compressione.

Stress di taglio

Lo stress della cesta deriva dal flusso fluido attraverso la superficie cellulare, generando una forza tangenziale. In cultura, questo viene tipicamente applicato utilizzando camere di flusso o dispositivi microfluidici. I vasi sanguigni di rivestimento endoteliali sono particolarmente sensibili allo stress della torace; allungano e allineano nella direzione del flusso, regolando il loro citoscheletro di actina.

Sottratto Stiffness e Topografia

Anche se non una forza applicata diretta, la rigidità del substrato culturale esercita uno stress meccanico sulle cellule come aderiscono e si diffondono. Le cellule percepiscono la rigidità substrata attraverso le aderenze focali e rispondono modulando la loro morfologia: su substrati rigidi, si diffondono più e sviluppano le fibre di stress prominenti; su substrati morbidi, rimangono arrotondate e meno diffuse.

Cambiamenti morfologici indotti da Stress Meccanico

Lo stress meccanico suscita uno spettro di alterazioni morfologiche, dai riallineamenti citoscheletrici rapidi ai cambiamenti sostenuti nella forma e dimensione cellulare, che spesso sono reversibili una volta che lo stress viene rimosso, ma l'esposizione cronica può portare a una ristrutturazione strutturale duratura.

Riorganizzazione citoscheletale

Il citoscheletro attuanico è il principale responsabile dello stress meccanico. Sotto la tensione, i filamenti di actina infilano in fibre di stress spesso orientate lungo l'asse della forza. Sotto lo stress della cinghia, l'actina corticale si riarrangia a formare una banda periferica rinforzata. La compressione può portare a un crollo della rete strutturale citoschelerica, seguita da un rinforzo adattivo.

Allungamento e allineamento delle cellule

Una delle risposte morfologiche più suggestive è l'allungamento delle cellule lungo la direzione della forza applicata. Ad esempio, le cellule endoteliali esposte a stress di taglio unidirezionale si allungano con il loro lungo asse parallelo al flusso, un cambiamento che riduce la resistenza e allinea le giunzioni intercellulari.

Cambiamenti nell'area cellulare e nel volume

Lo stress meccanico può alterare sia l'area proiettata che il volume delle cellule. L'allungamento aumenta tipicamente l'area della superficie cellulare, mentre la membrana al plasma viene dispiegata e viene aggiunta una nuova membrana dai negozi intracellulari. La compressione riduce l'altezza delle cellule e può diminuire il volume mentre l'acqua viene espulsa. Lo stress della ferita aumenta spesso l'area di diffusione delle cellule fino a una soglia, oltre la rottura della membrana o il decombusto.

Deformazione nucleare

Il nucleo è accoppiato meccanicamente al citoscheletro tramite il complesso LINC (Linker of Nucleoskeleton e Cytoskeleton).Le forze applicate trasmesse attraverso il citoscheletro possono deformare il nucleo, alterandone la forma e il volume. La deformazione nucleare influenza l'espressione genica modificando l'organizzazione della cromatina e la funzione del poro nucleare.

Maturazione di adesione focale

Le cellule avvertono lo stress meccanico attraverso le aderenze focali basate su integrina, che collegano la matrice extracellulare (ECM) al citoscheletro di actina. Sotto una maggiore tensione, le aderenze focali crescono e maturano da strutture dot-like nascenti in aderenze allungate e stabili.

Meccanismi molecolari: Come la forma di controllo dello stress meccanico

La conversione della forza fisica in segnali biochimici – metanotrasduzione – invola molteplici percorsi che convergono sul citoscheletro e sui macchinari di trascrizione.

Actin Dynamics e Rho GTPases

Rho GTPases (RhoA, Rac1, Cdc42) sono regolatori principali del citoscheletro actina. Lo stretch meccanico attiva il RhoA tramite fattori di scambio nucleotide guanino (GEF) a aderenze focali, portando alla formazione e contratility delle fibre di stress. Rac1 promuove la formazione di lamellipodia alla periferia cellulare, soprattutto sotto i controlli di taglio.

YAP/TAZ Pathway

YAP (Yes-associated protein) e TAZ (coattivatore cardanico con motivo PDZ-binding) sono i mechanotrasduttori chiave che si muovono tra il citoplasma e il nucleo in risposta alle cravatte meccaniche. Su substrati rigidi o sotto tensione, YAP/TAZ si trasloca al nucleo e lega i fattori di trascrizione TEAD, i geni di upregulating nella modellazione cinale

MAPK e Rho/ROCK Segnale

Le cinasi proteiche attivate da mitogeni (MAPK), come ERK e JNK, sono attivate da stress meccanico attraverso la trasattivazione del recettore dei fattori di crescita o la segnalazione dell'intestino.

Canali di calcio e ioni

Lo stress meccanico apre rapidamente canali ioni mechanosensibili (ad esempio Piezo1, TRPV4), che portano all'afflusso di calcio. Il calcio agisce come secondo messaggero, innescando il fatturato di adesione mediata al calpain, rimodellando l'actina e attivando i fattori di trascrizione.

Adesione cellulare-ECM e segnale Integrin

Le integrinazioni sono i recettori principali per le proteine ECM. Sotto tensione, integrina cluster e legare ai leganti ECM, attivando la chinasi di adesione focale (FAK) e le chinasi famiglia Src. La fosforilazione FAK avvia una cascata che recluta proteine di ponteggio (paxillina, talina) e promuove la polimerizzazione delle cellule di agina.

Approcci sperimentali per studiare cambiamenti morfologici indotti dallo stress

Per capire come lo stress meccanico influisce sulla morfologia cellulare, i ricercatori impiegano una varietà di sistemi in vitro che imitano le forze in vivo.

Dispositivi di stretch non assiali e biassiali

Le membrane di cultura flessibili sono allungate in una (uniassiale) o in due direzioni (biaxial). Le cellule di queste membrane sono immagini dal vivo per monitorare i cambiamenti morfologici nel tempo.

Camere di flusso microfluidic

I dispositivi microfluidici controllano con precisione la grandezza e la direzione dello stress. Queste piattaforme sono ideali per studiare l'allineamento delle cellule endoteliali, nonché la morfologia delle cellule epiteliali sotto il flusso controllato.

Idrogeli con la stiffness

Variando la densità di crosslink di idrogeli poliacrilamide o PEG, i ricercatori possono decouplare gli effetti della rigidità da altri fattori. I parametri morfologici come l'area di diffusione cellulare e il rapporto di aspetto nucleare sono sistematicamente misurati come funzione di rigidità.

Microscopia della Forza Atomica (AFM)

AFM può sia la topografia delle celle di immagine che applicare le forze localizzate tramite la punta del cantilever, permettendo una misurazione precisa della rigidità cellulare e della risposta meccanica.

Implicazioni per la ricerca e la medicina

Lo studio dello stress meccanico e della morfologia cellulare non è confinato alla biologia cellulare di base; ha profonde implicazioni per l'ingegneria dei tessuti, la medicina rigenerativa e la modellazione delle malattie.

Ingegneria dei tessuti

La progettazione di sostituzioni di tessuto funzionale richiede la ricreazione dell'ambiente meccanico che le cellule sperimentano in vivo. Ad esempio, i vasi sanguigni ingegnerizzati devono essere condizionati meccanicamente con flusso pulsale e teso per allineare le cellule endoteliali e le cellule muscolari lisce in modo appropriato.

Guarigione e Fibrosi

Durante la guarigione delle ferite, i fibroblasti generano forze contrapposte per chiudere la ferita. Lo stress meccanico guida la migrazione e l'allineamento fibroblasti, influenzando la formazione delle cicatrici. Nelle malattie fibrotiche, lo stress meccanico eccessivo attiva i miofibroblasti, che adottano una morfologia altamente diffusa e contrattiva.

Invasione del cancro e Metastasi

Le cellule tumorali rispondono a questa rigidità aumentando la diffusione e la formazione di sporgenze invasive. Lo stress meccanico promuove anche la transizione epiteliale-mesenchymale (EMT), un processo che cambia la morfologia cellulare da ciottoli-come ad allungamento e migrazione. La deformazione nucleare sotto stress di compressione può facilitare il passaggio di cellule che aumentano il divario tra cellule tumorali.

Malattia cardiovascolare

In atherosclerosi, i modelli di stress da taglio disturbati causano le cellule endoteliali ad adottare una morfologia poligonale, disorganizzata, aumentando la permeabilità e l'infiammazione. Capire come lo stress da taglio regola l'allineamento endoteliale aiuta a spiegare la formazione della placca e può guidare la progettazione di terapie emodinamiche.

Differenziazione delle cellule staminali

Le cellule staminali mesenchymal su substrati rigidi (osso mimicking) diventano osteoblasti e si diffondono piane; su substrati morbidi (cervello mimizzante), diventano neuroni con corpi cellulari piccoli e arrotondate. Lo stress meccanico amplifica questi effetti, guidando la morfologia e l'impegno di linea.

Sfide e direzioni future

Nonostante i progressi significativi, molte sfide rimangono nella comprensione completa dell'impatto dello stress meccanico sulla morfologia cellulare.

Complessità delle Forze In Vivo

In vivo, le cellule sperimentano forze complesse e multiassiali che variano nello spazio e nel tempo. Lo sviluppo di sistemi di cultura che imitano questa complessità, come ad esempio dispositivi multidirezionali elasticizzati o combinati di compressione-guarnitura, è essenziale per la traduzione.

Integrazione con i segnali biochimici

I segnali meccanici non agiscono in isolamento; si interagiscono con fattori di crescita, citochine e composizione ECM. Capire come le cellule integrano questi segnali concorrenti per determinare la loro morfologia finale è una sfida importante.

Adattamento a lungo termine

Le cellule possono adattarsi a ripetuti stress meccanici, alterando la loro morfologia della linea di base e le proprietà meccaniche.I meccanismi che stanno alla base di questo adattamento, come il rinforzo citoscheletale, il fatturato di adesione focale e i cambiamenti di espressione genica, sono solo parzialmente compresi.

Eterogeneità a singolo cellulare

Le cellule individuali all'interno di una popolazione spesso rispondono in modo diverso allo stesso stress meccanico. Questa eterogeneità deriva dalle differenze nello stato del ciclo cellulare, nell'attaccamento ECM o nella variabilità genetica. Le tecniche monocellulari, tra cui l'imaging a cellule vive e il RNA-seq, stanno scoprendo le origini della variabilità morfologica.

Conclusioni

Lo stress meccanico è un fattore fondamentale della morfologia cellulare nella cultura. Dall'allineamento sotto la tormatura alla deformazione nucleare sotto la compressione, la forma di una cellula è un lettura diretta delle forze fisiche che esso sperimenta. Le vie di mechanotransduzione sottostanti—Rho GTPases, YAP/TAZ, MAPK e il segnale del calcio, traslate queste forze in rimodellamento citoscheletale e cambiamenti di espressione genica che si bloccano in adattamento morphologico

[LT] Per una revisione completa della mechanotraduzione, vedi Iskratsch et al., Nature recensioni Biologia molecolare delle cellule, 2020. Su YAP/TAZ mechanobiology, consultare Totaro et al.,22 ircFediologia