Effects of matrix stiffness on the morphology and reactivity of astrocytes

Abstract

Após uma lesão cerebral traumática, astrócitos passam por um processo chamado astrogliose, pelo qual iniciam a formação da cicatriz glial. Para remodelar o tecido lesionado e construir esta cicatriz, proteases entram em atividade e proteínas de matriz são produzidas pelos astrócitos, o que modifica a rigidez do tecido local, tornando-o mais macio. Estudos na literatura mostram que substratos macios aumentam a expressão de GFAP em astrócitos, mas pouco se sabe sobre outras características da astrogliose desencadeada pelas características mecânicas do substrato. Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma plataforma para cultura de astrócitos corticais usando gel de poliacrilamida em diferentes rigidezes, mimetizando características mecânicas da cicatriz glial (300 Pa e 800 Pa) e do tecido cerebral não lesionado (1 kPa). Astrócitos foram cultivados por 3 e 7 dias em cada substrato e o ensaio de viabilidade mostrou aproximadamente 80% de células vivas em todos os grupos. O gel mais macio teve alta relevância para a manutenção das características da astrogliose, como manutenção de células GFAP+ por 7 dias, aumento da taxa de proliferação celular, e morfologias mais complexas com ramificações, sugestivo para um fenótipo de astrócito reativo. O gel de 800 Pa foi importante para a expressão dos proteglicanos agrecam e neurocam, proteínas frequentemente observadas na área periférica da lesão, onde o substrato tem rigidez intermediária. Neste gel, astrócitos exibiram reatividade semelhante a observada nos géis macios após 3 dias, porém retornaram a um estado próximo do fisiológico após 7 dias, indicando plasticidade astrocitária. O gel de 1 kPa, por sua vez, possibilitou astrócitos com morfologias sem grandes complexidades estruturais ou alterações funcionais, garantindo um fenótipo semelhante ao fisiológico. Esses resultados fornecem uma relação direta entre o fenótipo celular e a mecanotransdução, e sugerem como os astrócitos respondem comportamental e morfologicamente às diferentes rigidezes na cicatriz em comparação com a rigidez da matriz extracelular normal.

Upon a traumatic brain injury, astrocytes undergo a process called astrogliosis, by which they begin to form a glial scar. Proteases are activated to remodel the injured tissue and build this scar, and astrocytes produce matrix proteins, which modify the local tissue stiffness, making it softer. The literature shows that soft substrates upregulate GFAP in astrocytes, but other aspects of astrogliosis triggered by the softening of the tissue remain unclear. This work aimed to develop a platform for the culture of cortical astrocytes using polyacrylamide gel in different rigidities, mimicking mechanical characteristics of the glial scar (300 Pa and 800 Pa) and uninjured brain tissue (1 kPa). Astrocytes were cultured for 3 and 7 days on each substrate, and the viability assay showed approximately 80% live cells in all groups. The softer gel had high relevance for the maintenance of astrogliosis characteristics, such as maintenance of GFAP+ cells for seven days, increased cell proliferation rate, and more complex morphologies with branching, suggestive of a reactive astrocyte phenotype. The 800 Pa gel was essential for astrocytes expressing the proteoglycans aggrecan and neurocan, proteins that are frequently observed in the peripheral area of the lesion, where the substrate has intermediary rigidity. In this gel, astrocytes exhibited reactivity similar to that observed in soft gels after three days but returned to a near-physiological state after seven days, indicating astrocytic plasticity. The 1 kPa gel, in turn, enabled astrocytes with morphologies without significant structural complexities or functional changes, ensuring a more natural phenotype similar to the physiological one. These results provide a direct relationship between cell phenotype and mechanotransduction and suggest how astrocytes respond behavior and morphologically to different scar stiffnesses compared to normal extracellular matrix stiffness.