Le scoperte in corso nel mondo dei comportamenti cellulari hanno accentuato il ruolo degli stimoli meccanici, come la tensione, lo sforzo di taglio dei fluidi, la compressione e la rigidità del substrato, nel dettare le attività cellulari dinamiche come l'adesione, la migrazione e la differenziazione. Questi aspetti meccanobiologici sono di fondamentale importanza per chiarire come le cellule interagiscono e rispondono al loro ambiente fisiologico, influenzando vari processi biologici 1,2.
Nell'ultimo decennio, i saggi di aspirazione basati su micropipette si sono distinti come uno strumento versatile nello studio di diverse risposte cellulari a stimoli meccanici. Questa tecnica offre preziose informazioni sulle proprietà meccaniche intrinseche delle cellule viventi a livello di singola cellula, tra cui il modulo elastico cellulare, la rigidità e la tensione corticale. Questi saggi consentono di misurare vari parametri meccanici, come la tensione della membrana cellulare, la pressione esercitata sulla membrana cellulare e la tensione corticale (riassunta nella Tabella 1). Lo studio delle forze aspirazionali ha arricchito la nostra comprensione di come influenzano le funzioni e i processi cellulari, in particolare nell'ambito della dinamica della membrana, tra cui la frammentazione, l'allungamento e la gemmazione 3,4.
| Parametro meccanico | Descrizione | Approcci seminali |
| Rigidità cellulare | Misura della rigidità meccanica e dell'elasticità di una cella. | Aspirazione della membrana cellulare e analisi della risposta deformativa alla pressione negativa20,21. |
| Forza di adesione | Valutazione della forza di adesione delle cellule alle superfici. | Applicazione di aspirazione controllata per staccare le cellule aderenti da un substrato2,22. |
| Tensione della membrana | Valutazione della tensione o dello stress all'interno delle membrane cellulari. | Misura della deformazione della membrana in risposta alla pressione applicata23,24. |
| Proprietà viscoelastiche | Caratterizzazione del comportamento viscoso ed elastico combinato di una cella. | Analisi della risposta deformativa tempo-dipendente all'aspirazione23,25. |
| Deformabilità | Determinazione della facilità con cui una cellula può cambiare forma. | Valutazione dell'entità della deformazione in aspirazione controllata20,24. |
| Tensione superficiale | Misura della tensione sulla superficie della cella. | Valutazione della pressione necessaria per formare una sporgenza della membrana della micropipetta26. |
| Interazione cellula-materiale | Studio delle interazioni tra cellule e materiali o substrati. | Aspirazione di cellule a contatto con materiali diversi e osservazione delle interazioni2,24. |
| Interazione cellula-cellula | Esame delle interazioni tra cellule vicine. | Aspirazione di un gruppo di cellule e analisi delle loro forze intercellulari27. |
Tabella 1: Parametri meccanici caratterizzati dal test di aspirazione con micropipetta.
La tecnica di aspirazione basata su micropipette è stata ampiamente utilizzata per studiare i globuli rossi (RBC), valutando la deformabilità e varie caratteristiche meccaniche dei RBC, che è essenziale per comprendere la loro funzione nel sistema circolatorio. I globuli rossi mostrano una notevole adattabilità, preservando la loro versatilità meccanica contro la deformazione durante la navigazione attraverso l'intricata rete capillare e le fessure interendoteliali 5,6. Durante questo viaggio, i globuli rossi devono attraversare passaggi stretti fino a 0,5-1,0 μm, sottoponendosi a una moltitudine di forze meccaniche, tra cui la tensione e la compressione 7,8,9. Hanno anche un'elevata sensibilità allo stress di taglio generato dal flusso sanguigno durante la circolazione10. Questi processi promuovono l'attivazione di meccanismi regolatori che coinvolgono l'afflusso di calcio, un evento di segnalazione cruciale con ruoli ben consolidati nelle risposte cellulari agli stimoli meccanici11,12. I complessi meccanismi che governano il meccanosensing mediato dal calcio rimangono argomenti interessanti di indagine in corso.
In questo contesto, l'fMPA rappresenta un approccio efficace per rivelare l'entità della mobilizzazione del calcio sotto forze meccaniche controllate con precisione, consentendo l'applicazione simultanea della modulazione meccanica (utilizzando il sistema di aspirazione a micropipetta) e la visualizzazione dell'intensità del calcio (utilizzando indicatori fluorescenti). Imita in particolare lo scenario fisiologico in cui i globuli rossi viaggiano attraverso il restringimento dei vasi sanguigni. Vale la pena notare che il sistema fMPA che abbiamo sviluppato può generare pressione con una risoluzione di 1 mmHg. La telecamera ad alta velocità implementata può raggiungere una risoluzione temporale di 100 ms e una risoluzione spaziale a livello submicrometrico. Queste configurazioni garantiscono l'applicazione precisa delle forze meccaniche alle cellule viventi e contemporaneamente catturano la segnalazione cellulare risultante. Inoltre, grazie alla natura ingegneristica integrativa di questa configurazione, il test di aspirazione con micropipetta può essere facilmente adattato per integrare altre apparecchiature o tecniche, consentendo un'ulteriore esplorazione delle complessità della meccanica cellulare. Questa versatilità rappresenta un ulteriore vantaggio di questo approccio.