Synergistic effects of mechanical stimulation, substrate stiffness, and cell spreading on non-viral gene delivery efficiency

The efficiency of non-viral gene delivery remains limited by biological barriers that restrict uptake and intracellular trafficking. Substrate stiffness, surface chemistry, and mechanical stimulation have been identified as promising modulators of these processes. In this study, polydimethylsiloxane (PDMS) chambers with a nominal stiffness of 1 MPa were fabricated and functionalized through silanization to improve cell adhesion. HeLa cells were seeded at optimized density, characterized morphologically over time, and transfected with pNLuc/bPEI polyplexes at 24, 48, and 72 hrs after seeding. A custom-made electromechanical device was employed to apply cyclic uniaxial strain during transfection and evaluate the effect of dynamic stimulation. Results showed that silanization promoted adhesion and spreading, while transfection efficiency peaked at 48 hrs, coinciding with more advanced cytoskeletal organization. Mechanical stimulation further enhanced efficiency at early time points without significant cytotoxicity. These findings indicate that combining substrate functionalization, cell morphology, and mechanical strain can improve non-viral transfection efficiency and support the development of more effective gene delivery strategies.

L'efficienza della veicolazione genica non virale rimane limitata da barriere biologiche che limitano l'assorbimento e il traffico intracellulare. La rigidità del substrato, la chimica di superficie e la stimolazione meccanica sono stati identificati come promettenti modulatori di questi processi. In questo studio, sono state fabbricate camere in polidimetilsilossano (PDMS) con una rigidità nominale di 1 MPa, successivamente funzionalizzate mediante silanizzazione per migliorare l'adesione cellulare. Le cellule HeLa sono state seminate a densità ottimizzata, caratterizzate morfologicamente nel tempo e trasfettate con i poliplessi pNLuc/bPEI a 24, 48 e 72 ore dalla semina. È stato utilizzato un dispositivo elettromeccanico personalizzato per applicare una deformazione monoassiale ciclica durante la trasfezione e valutare l'effetto della stimolazione dinamica. I risultati hanno mostrato che la silanizzazione ha promosso l'adesione e la diffusione, mentre l'efficienza della trasfezione ha raggiunto il picco a 48 ore, in coincidenza con un'organizzazione citoscheletrica più avanzata. La stimolazione meccanica ha ulteriormente aumentato l'efficienza nei primi momenti, senza una significativa citotossicità. Questi risultati indicano che la combinazione di funzionalizzazione del substrato, morfologia cellulare e sollecitazione meccanica può migliorare l'efficienza della trasfezione non virale e favorire lo sviluppo di strategie di rilascio dei geni più efficaci.