Il canale ionico Piezo1 è in grado di rilevare la viscoelasticità dei tessuti nelle matrici soffici

Le cellule sondano continuamente le proprietà meccaniche della matrice extracellulare (ECM) circostante per guidare comportamenti fondamentali come la differenziazione, la proliferazione e la migrazione. Sebbene la rigidità elastica dell'ECM sia da tempo riconosciuta come un segnale meccanosensoriale chiave, i tessuti nativi non sono puramente elastici: presentano viscoelasticità, ovvero dissipano energia nel tempo quando vengono deformati. Il modo in cui le cellule percepiscono questa proprietà meccanica dipendente dal tempo, e quali attori molecolari mediano tale percezione, è rimasto poco compreso.

Questo studio affronta direttamente tale lacuna concentrandosi su Piezo1, un canale cationico meccanosensibile noto per il coordinamento con la segnalazione delle adesioni focali (FA) mediata dalle integrine. I ricercatori hanno utilizzato coppie di idrogel di poliacrilammide progettati per avere moduli di Young corrispondenti in un range soffice (~0,4 kPa) o rigido (~25 kPa), differendo però nel comportamento di rilassamento dello stress: uno elastico (a rilassamento lento, V−) e uno viscoelastico (a rilassamento rapido, V+) per ciascuna coppia di rigidità. Questo elegante design ha consentito di studiare la viscoelasticità indipendentemente dalla rigidità. Cellule staminali mesenchimali (MSC) immortalizzate Y201, con e senza silenziamento transitorio di Piezo1, sono state coltivate su questi substrati per 48 ore.

Sugli idrogel soffici viscoelastici (V+), le cellule di controllo hanno mostrato un'area di espansione significativamente maggiore e una circolarità ridotta rispetto alle cellule su gel soffici elastici (V−), indicando una maggiore meccanosensibilità. Questa risposta è risultata abolita in seguito al silenziamento di Piezo1, dimostrando che Piezo1 è necessario affinché le cellule traducano i segnali viscoelastici della matrice soffice. Sugli idrogel rigidi, al contrario, l'espansione cellulare era robusta indipendentemente dalla viscoelasticità o dallo stato di Piezo1, coerentemente con il dominio della rigidità nella meccanosensibilità in quel regime. Questi risultati morfologici sono stati confermati dalle misurazioni delle adesioni focali e dai saggi metabolici, a sostegno di una conseguenza funzionale a valle della meccanosensibilità viscoelastica mediata da Piezo1.

Per fornire un'interpretazione meccanicistica, il gruppo ha esteso il consolidato modello computazionale della frizione molecolare (molecular clutch) incorporando l'attività di Piezo1 e la viscoelasticità del substrato. Le simulazioni hanno riprodotto con successo le risposte cellulari dipendenti dalla rigidità e da Piezo1 osservate sperimentalmente, suggerendo che Piezo1 modula la probabilità di innesto della frizione nelle matrici soffici dissipative, dove il substrato che si rilassa limita altrimenti l'accumulo di forza ai legami integrina-ECM.

Il sequenziamento dell'RNA delle cellule in tutte e quattro le condizioni di idrogel, con e senza silenziamento di Piezo1, ha rivelato firme trascrittemiche distinte. I set genici che riflettono le vie meccanobiologiche, l'attività metabolica e il rimodellamento dell'ECM sono risultati differenzialmente regolati sia dalla viscoelasticità della matrice sia dall'espressione di Piezo1, in particolare sui substrati soffici. Questi risultati stabiliscono collettivamente Piezo1 come trasduttore della meccanica dell'ECM dipendente dal tempo e suggeriscono che il ruolo del canale nella meccanobiologia si estende ben oltre la percezione della rigidità statica, con implicazioni significative per la comprensione delle nicchie delle cellule staminali, dell'omeostasi tissutale e degli stati patologici che coinvolgono un'alterata viscoelasticità dell'ECM, come la fibrosi e il cancro.