I ricercatori hanno creato substrati con pilastri di dimensioni nanometriche in varie disposizioni. Credito:Jakob Vinje
Quando i biologi studiano le cellule al microscopio, le osservano su superfici piane che non assomigliano per niente all'ambiente all'interno del corpo umano. Ora, i ricercatori di NTNU hanno trovato un modo per imitare alcuni aspetti dell'ambiente nativo di una cellula utilizzando minuscoli pilastri polimerici. Il loro lavoro, finanziato dal Research Council of Norway, è pubblicato sulla rivista Nanoscale Research Letters .
"Le cellule del corpo umano sono incorporate in una complessa matrice di molecole", afferma Pawel Sikorski, professore presso il Dipartimento di Fisica dell'NTNU. Questo ambiente, noto come matrice extracellulare, è una rete di supporto dinamico per le cellule, che fornisce non solo un'impalcatura fisica per la crescita di tessuti e organi, ma trasmette anche segnali per aiutare le cellule a comunicare tra loro. Mentre estrarre le cellule dalla matrice extracellulare e metterle su superfici piatte di vetro consente ai ricercatori di studiarle in laboratorio, significa che potremmo perdere l'osservazione di molti processi cellulari.
"Il vetro è molto duro e la cellula percepirà che il substrato non si deforma mentre cerca di tirarlo", afferma Sikorski. "Ciò induce determinati tipi di comportamento e induce anche determinati tipi di processi nelle cellule. Si comporteranno in modo diverso se vengono posizionati su qualcosa che è elastico e morbido e può essere deformato e rimodellato."
Ciò significa che se i ricercatori vogliono capire come si comportano le cellule nel loro ambiente nativo, hanno bisogno di un substrato che replichi la biologia più da vicino. L'inclusione di cellule all'interno di idrogel, ad esempio reti 3D di polimeri simili alla gelatina, è un'opzione. Ma studiare le cellule all'interno di un idrogel non è facile come osservarle su un semplice vetrino al microscopio ottico. "Se vuoi vedere cosa sta succedendo, diventa piuttosto impegnativo", afferma Sikorski.
Creazione di strutture in un sottile film polimerico
Imitare alcuni degli aspetti meccanici dei substrati più morbidi con le nanostrutture è un modo possibile per affrontare questo problema, ed è esattamente ciò che Sikorski e Ph.D. lo studente Jakob Vinje, in collaborazione con le biologi cellulari Noemi Antonella Guadagno e Cinzia Progida dell'Università di Oslo. Vinje ha ricoperto diapositive di vetro in minuscoli pilastri fatti di un polimero noto come SU-8. Questi nanopillari, ciascuno di soli 100 nanometri di diametro sulla punta, sono stati realizzati utilizzando la litografia a fascio di elettroni presso NTNU NanoLab, dove un fascio di elettroni focalizzato crea strutture in un sottile film polimerico.
"Per millimetro quadrato hai già un bel po' di pilastri, e se vuoi studiare le cellule, allora dobbiamo creare superfici che siano almeno dell'ordine di 10 per 10 millimetri", dice Sikorski. "Gli strumenti di NTNU NanoLab sono essenziali affinché ciò sia possibile."
I ricercatori hanno creato substrati con una varietà di diverse disposizioni di nanopillari e li hanno testati utilizzando cellule che producono proteine fluorescenti. Osservando le cellule al microscopio, i ricercatori hanno analizzato la forma, le dimensioni e la distribuzione dei punti in cui la cellula si attacca alle diverse superfici.
I substrati con nanopillari densamente imballati imitano più da vicino le superfici più morbide. Credito:Jakob Vinje
Pilastri ben imballati
Dopo aver effettuato centinaia di osservazioni di cellule sulle varie superfici, i ricercatori hanno scoperto che i substrati con nanopillari fitti imitavano più da vicino una superficie più morbida. "Se realizziamo un substrato con pilastri densi, le cellule si comportano come se si trovassero su un substrato molto più morbido", afferma Sikorski.
La bellezza dei substrati ricoperti di nanopillari è la loro semplicità:in teoria, i biologi potrebbero semplicemente scambiare i loro soliti vetrini con quelli nuovi. "Ha più funzioni e una maggiore sintonizzabilità rispetto a un substrato di vetro, ma è comunque relativamente semplice", afferma Sikorski.
Dice che l'obiettivo finale sarebbe che i ricercatori siano in grado di "aprire il pacchetto e tirarne fuori uno, mettere le cellule, studiarlo al microscopio e poi buttarlo via una volta che hanno finito". Tuttavia, affinché ciò diventi realtà, i substrati dovrebbero essere prodotti a centinaia a un costo relativamente basso.
Finora i ricercatori hanno realizzato solo un piccolo numero di prototipi, ma esistono metodi esistenti, come una tecnica a basso costo e ad alto rendimento per creare modelli su scala nanometrica chiamata litografia a nanoimpronta, che potrebbero rendere possibile l'aumento della produzione dei substrati.
Oltre a consentire ai biologi di studiare le cellule in un modo nuovo, i substrati potrebbero essere utilizzati per sviluppare metodi migliori per lo screening dei farmaci. Per trovare un farmaco che impedisca alle cellule di attaccarsi a una superficie particolare, ad esempio, un substrato ricoperto di nanopillari potrebbe imitare quella superficie e mettere alla prova potenziali farmaci. + Esplora ulteriormente
