Los avances actuales en la ciencia de los materiales han demostrado que las señales mecánicas extracelulares pueden definir la función celular y el destino celular. Sin embargo, una comprensión fundamental de la manera en que las señales mecánicas intracelulares afectan la mecánica celular sigue siendo difícil de alcanzar. Los dispositivos reproducibles con tamaño y forma altamente controlados y con una amplia gama de rigidez se internalizan en las células HeLa. Una vez dentro, inducen desviaciones características del ciclo celular y promueven la muerte celular. La forma y la rigidez del dispositivo son los determinantes dominantes del deterioro mecánico. El soporte estructural del dispositivo a la membrana celular y el centrado durante la mitosis maximizan sus efectos, evitando el centrado del huso y alineando correctamente los cromosomas. Los nanodispositivos revelan que el eje genera fuerzas superiores a 114 nN, lo que supera el confinamiento intracelular al reubicar el dispositivo en una posición menos dañina. Mediante el uso de fármacos mecánicos intracelulares, este trabajo proporciona una base para definir el papel de las restricciones intracelulares en la función y el destino celular, con relevancia para la mecánica celular fundamental y la nanomedicina.
Introducción
Cada vez está más claro que las características físicas y químicas de la célula son fundamentales para su funcionamiento y desarrollo. El citoesqueleto de la célula, compuesto por microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermedios, es una estructura activa asociada con la función mecánica y, por lo tanto, participa en muchos procesos fundamentales durante el ciclo celular. En términos físicos, la combinación del sistema membrana celular-corteza y el citoesqueleto constituye un sistema mecánico cuya estabilidad se basa en un equilibrio de fuerzas entre los componentes de compresión y tracción.
Cualquier perturbación física de este sistema mecánico celular provoca una redistribución de fuerzas y una reorganización de elementos mecánicos que pueden ser perjudiciales. Por lo tanto, no es de extrañar que múltiples fármacos químicos para la investigación y la terapéutica se dirijan a alterar el rendimiento mecánico celular. Los medicamentos contra el cáncer como el paclitaxel o la colchicina afectan los microtúbulos, provocando una catástrofe mitótica para causar la muerte celular. Otros compuestos, como la citocalasina B, la citocalasina D y la latrunculina A, interrumpen los filamentos de actina, lo que también altera la función y el crecimiento celular.
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Las señales mecánicas intracelulares inducidas por la internalización fisiológica de objetos grandes también pueden alterar la redistribución de fuerzas y la reorganización de elementos mecánicos. De hecho, durante la entosis (el engullimiento de una célula viva por otra), la citocinesis en la célula engullida se altera, lo que puede causar aneuploidía. Esto tiene un paralelismo con la perturbación de la división celular cuando las células se exponen a material fibroso "largo" natural o artificial, como las fibras de asbesto, que pueden inducir cambios genómicos y cáncer al bloquear estéricamente la citocinesis.
Comprender cómo la perturbación mecánica interna por partículas internalizadas puede afectar el ciclo celular tiene relevancia no solo para la mecanobiología fundamental, sino también para la micro y nanotoxicidad en nanomedicina. Sin embargo, la forma en que las perturbaciones mecánicas intracelulares alteran el ciclo celular sigue siendo difícil de comprender. Aquí, hemos establecido cómo los refuerzos intracelulares, el bloqueo de obstáculos y los soportes estructurales en la membrana celular inducidos por estructuras físicas internalizadas afectan mecánicamente el ciclo celular y contribuyen a la muerte celular.
Diseño y fabricación de fármacos mecánicos intracelulares de alta relación de aspecto
Predijimos que los fármacos mecánicos internalizados con forma y dimensiones prescritas con precisión en el rango del diámetro mitótico celular ( Φ HeLa = 20,9 ± 0,6 µm) desestabilizarían la mecánica celular durante la mitosis, lo que nos permitiría estudiar refuerzos y restricciones intracelulares. Para ayudar a la internalización de estos objetos grandes, ampliamos nuestra experiencia en la internalización de dispositivos de polisilicio más pequeños por células HeLa y el hecho de que muchos tipos de células favorecen la internalización de "punta primero" de materiales 1D.
En consecuencia, diseñamos dispositivos en forma de estrella de 8 puntas y alta relación de aspecto que imitan estructuras 1D, midiendo 23,5 µm de diámetro ( Φ) y 500 nm de espesor ( t ), y que comprende voladizos de 10 µm de largo ( L ) y 1,5 µm de ancho ( W ) ; nos referimos a estos como dispositivos SL-500.
