Optimization of polyacrylamide hydrogels for mechanotransduction studies

Mechanotransduction is the property of the cells to sense the mechanical stimuli they are subjected to and to transduce them into a variety of biological responses. The responsible of this mechanism is the complex YAP/TAZ, which is mainly regulated by physical cues, such as substrate stiffness and cell geometry. To study its function, polyacrylamide hydrogels can be used as experimental platform because of their favorable properties. In our work, the synthesis procedure of these gels was optimized, and the composition was appropriately modified when needed in order to facilitate surface functionalization (adding hydroxy-polyacrylamide or the adhesive peptide RGD to the composition) or to develop a dynamic system. The different hydrogels were mechanically characterized by determining the elastic moduli and then adopted to perform several biological experiments, using different cell types, demonstrating the versatility of polyacrylamide systems as a tool for many mechanotransduction studies. Degradable hydrogels were synthesized mixing acrylamide and bis-acryloylcystamine in appropriate ratios to obtain specific rigidities to study cell behavior during gradual softening of the substrate. The research could help to understand what happens in some diseases and in ageing, in which tissue softening influences cell behavior.

La meccanotrasduzione è la proprietà delle cellule di percepire gli stimoli meccanici a cui sono sottoposte e di tradurli in molteplici risposte biologiche. Il responsabile di questo meccanismo è il complesso YAP/TAZ, che è regolato principalmente da stimoli fisici, come ad esempio dalla rigidezza del substrato e dalla geometria delle cellule. Per studiare il suo funzionamento, hydrogels a base di poliacrilammide sono da tempo impiegati come piattaforma sperimentale grazie alle loro proprietà favorevoli. Nel nostro lavoro è stata ottimizzata la sintesi di tali hydrogels, e la composizione è stata modificata opportunamente quando necessario per facilitarne la funzionalizzazione superficiale (aggiungendo idrossi-poliacrilammide o il peptide adesivo RGD) o per sviluppare un sistema dinamico. Gli hydrogels così ottenuti sono stati caratterizzati dal punto di vista meccanico determinandone il modulo elastico e in seguito sono stati usati in diversi esperimenti biologici, con vari tipi cellulari. Ciò ha dimostrato la versatilità del sistema a base di poliacrilammide come mezzo per studiare la meccanotrasduzione. Gli hydrogels degradabili sono stati sintetizzati mescolando acrilammide e bisacriloilcistammina in rapporti tali da ottenere specifiche rigidezze per studiare il comportamento delle cellule durante il rammollimento graduale del substrato. La ricerca potrebbe portare a individuare cosa succede durante l’invecchiamento e in alcune malattie che comportano il rammollimento dei tessuti in quanto ciò influenza il comportamento delle cellule.