Riassunto analitico
La meccanobiologia è una materia multidisciplinare dove sono richieste competenze biologiche, fisiche e ingegneristiche. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di comprendere in che modo gli stimoli meccanici influenzano il comportamento di cellule vive e quali sono i principali fattori che riguardano questo fenomeno, effettuando anche un confronto con i modelli esistenti.
I passaggi per costruire uno stretcher per cellule, posto all’interno di un incubatore on-stage (da posizionare sul tavolino di un microscopio), vengono presentati in dettaglio. Questo dispositivo consente di esporre cellule vive ad uno stimolo meccanico periodico – di estensione e contrazione lungo una certa direzione fissata – con una specifica forma d’onda, come avviene in condizioni fisiologiche nel caso ad esempio del sistema cardio-vascolare. Lo stretcher uniassiale che presentiamo funziona tramite un supporto in PDMS, sul quale è cresciuta una popolazione di cellule; grazie ad una registrazione a intervalli di tempo fissati con il microscopio ottico, andiamo a studiare come le cellule si comportano quando sono soggette allo stimolo meccanico. I diversi moduli del set up sperimentale sono controllati dal microprocessore Arduino e i movimenti sono effettuati da motori passo-passo. Grazie a meccanismi di feedback, si è in grado di controllare la temperatura e la concentrazione di CO2, così da mantenere le condizioni adatte alla sopravvivenza delle cellule durante gli esperimenti. La reazione delle cellule allo stretching periodico rappresenta un prototipo di segnale meccanobiologico integrato dalle cellule vive. Lo stretcher uniassiale è stato provato con diverse linee di cellule, U87-MG e Balb-3T3. Dopo avere considerato gli aspetti teorici e sperimentali della calibrazione dello stretcher, vengono analizzati gli effetti degli stimoli periodici sull’orientazione e sulla migrazione. Vengono anche discussi gli aspetti principali relativi all’analisi quantitativa dei processi di ri-orientazione e di migrazione. È stato trovato che le cellule Balb-3T3 si orientano lungo la direzione di minima deformazione del substrato e tendono a migrare preferenzialmente lungo la direzione perpendicolare a quella di stiramento. Questi effetti non sono invece presenti nel caso di cellule della linea U87-MG.
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Abstract
Mechanobiology is inherently a multidisciplinary topic where biology, physics and engineering competences are required. In this thesis, I studied how mechanical stimuli from outside affect living cell behaviour and what are the main determinants of the phenomenon. A comparison with the existing models describing this effect is then performed. Here I describe all the steps to build a uniaxial cell stretcher inside an on-stage cell incubator. This device allows exposing living cells to a periodic mechanical stimulus – extension and contraction along a certain direction – with a specific waveform, similar to what happens in physiological conditions, such as for example in the vascular system. The uniaxial stretching device can be exploited with cell populations growing on a PDMS support, while observing how the cells are affected by the mechanical cue with time-lapse optical microscopy imaging. All the different modules of the experimental set up are controlled by an Arduino microprocessor and the movements are driven by stepper motors. Thanks to feedback mechanisms, the temperature and CO2 concentration are controlled, so that survival conditions for the cells are maintained during the experiments. The reaction of the cells to the periodic mechanical stretching represents a prototype of a mechanobiological signal integrated by living cells. We tested our device by stretching cells of two different lines, U87-MG and Balb-3T3 cells. After providing the theoretical and experimental aspects related to the calibration of the stretcher apparatus, we analysed and discussed the effects of the periodic stimulus on both cell reorientation and migration. We also discuss the basic aspects related to the quantitative analysis of the reorientation process and of cell migration. We found that Balb-3T3 cells orient themselves in the direction of minimum strain and they preferentially migrate in the direction perpendicular to the stretching direction. These effects are not observed for U87-MG cells.
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