Esplorazione della meccanobiologia del cuore tramite le Nanotecnologie

Nanotechnological approaches are effective to analyze the biophysical properties of cardiac cells, and to investigate how microenvironmental forces influences cardiac cell function in physiopathology. Two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) models enable a systematic manipulation and precise control of mechanobiological cues, to address the multiscale organization and mechanobiology of the myocardium. In this dissertation, an analysis on a 2D culture of Filamin C-truncated induced pluripotent stem cell cardiomyocytes (iPSC-CMs) showed cell stiffness and adhesion impairments as measured by Atomic Force Microscopy (AFM). To investigate a more physiological-like system, multicellular 3D cardiac spheroids (CSs) were developed to bridge the gap between 2D cultures, animal models, and the human heart. The measure of CSs mechanical properties by AFM required the usage of custom-fabricated macro-cantilevers made to be compatible with commercial instrumentation. Having proven the capabilities of this novel technique, an additional complexity layer was added by probing spheroid of co-cultured neonatal rat ventricular cardiomyocytes (NRVMs) and fibroblasts, aiming to study the biophysical features of myocardial fibrosis (MF). In turned out MF spheroidal models were stiffer compared to control, as measured by AFM. Finally, a combination of nanoengineering-driven passive electromechanical conditioning, coupled with a dynamic mechanical stimulation by AFM, led to an improvement of 3D CSs contractile performance. Our results showed that spheroids grown in conductive hydrogels exhibited advanced maturation levels, showed by an elevated gap junctions’ expression, higher reactivity to AFM mechanical simulation and, in turn, higher contraction forces. The results herein presented are likely to produce a positive impact on the study of heart regeneration and cardiovascular-related diseases, pushing towards unexplored venues of cardiac mechanobiology by means of Nanotechnology.

Gli approcci nanotecnologici sono efficaci per analizzare le proprietà biofisiche delle cellule cardiache e per investigare come le forze microambientali influenzino la funzione cellulare in fisiopatologia. I modelli bidimensionali (2D) e tridimensionali (3D) consentono una manipolazione sistematica e un controllo preciso dei segnali meccanobiologici per affrontare l'organizzazione multiscala e la meccanobiologia del miocardio. In questa tesi, un'analisi su una cultura 2D di cardiomiociti derivati da staminali pluripotenti indotte (iPSC-CMs) aventi una mutazione alla Filaminca C ci ha mostrato alterazioni della elasticità e dell'adesione delle cellule, misurate attraverso la Microscopia a Forza Atomica (AFM). Per investigare un sistema più simile alla fisiologia, sono stati sviluppati spferoidi cardiaci multicellulari (CSs) 3D per colmare il divario tra culture 2D, modelli animali e il cuore umano. La misura delle proprietà meccaniche dei CSs da parte dell'AFM ha richiesto l'uso di cantilever "macro", fabbricati "in casa" per essere compatibili con strumentazione commerciale. Avendo dimostrato le capacità di questa nuova tecnica, un'ulteriore complessità è stata raggiunta studiando degli sferoidi di co-culture di cardiomiociti ventricolari neonatali di ratto (NRVMs) e relativi fibroblasti, con l'obiettivo di studiare le caratteristiche biofisiche della fibrosi miocardica (MF). È emerso che i modelli sferoidei di MF erano più rigidi rispetto al controllo, come misurato da AFM. Infine, una combinazione di condizionamento elettromeccanico passivo guidato dalla nanoingegneria e una stimolazione meccanica dinamica da parte dell'AFM ha portato a un miglioramento delle prestazioni contrattili dei CSs 3D. I nostri risultati hanno mostrato che gli sferoidi coltivati in idrogel conduttivi mostrano livelli più avanzati di maturazione, con una maggiore espressione di gap junctions, una maggiore reattività alla simulazione meccanica AFM e, di conseguenza, forze di contrazione più elevate. I risultati presentati in questo lavoro potrebbero avere un impatto positivo sullo studio della rigenerazione cardiaca e delle malattie cardiovascolari, spingendo verso nuovi fronti la meccanobiologia cardiaca, guidandola attraverso le Nanotecnologie.