Design of a test bench for cardiac cells, based on a tubular micro-patterned substrate

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in the world and current treatments have still a number of unresolved problems. Therefore, in recent years, there is great interest in developing viable in vitro models of the human cardiac physiology, which could provide better predictive power of the functionality of the heart in different conditions. The aim of this work of thesis was the development of a platform to study the influence of mechanical stimuli on the behaviour of cardiac cells. The system was developed as a closed circuit in which the cells could be seeded on a construct that reproduced the geometry of the embryonic heart, when it is not fully developed and it is basically a thick walled tube. The first part of the work was therefore focused on the fabrication of tubular micro-patterned substrates as a support for cardiac cells. The micro-pattern could guide the microscopic arrangement of the cells with the aim of reproducing their natural alignment, which is a very important feature of the physiology of the heart. The test bench was then developed inserting the tubular constructs in a closed circuit and adding a pumping element to induce a flow inside the system and to impose a mechanical stimulus to the cells. Particular attention was paid also to the maintenance of the viability and functionality of the cells. Although some aspects of the apparatus still need further improvements, the obtained results are very promising and represent a base for future analysis of the behaviour of cardiomyocytes.

Le malattie cardiovascolari sono la principale causa di morte nel mondo e i trattamenti attualmente utilizzati presentano ancora alcuni problemi irrisolti. Per questo, negli ultimi anni, si è sviluppato un grande interesse riguardo alla realizzazione di modelli in vitro della fisiologia cardiaca umana, che potrebbero garantire migliore accuratezza predittiva della funzionalità del cuore in differenti condizioni. Questo lavoro di tesi si propone di sviluppare una piattaforma per lo studio dell’influenza di stimoli meccanici sul comportamento delle cellule cardiache. Il sistema è stato sviluppato come un circuito chiuso in cui le cellule possono essere inserite all’interno di un costrutto che riproduce la geometria del cuore embrionale, quando l’organo non è ancora completamente sviluppato ed è essenzialmente costituito da una spessa struttura tubolare. La prima parte del lavoro è stata dunque focalizzata sulla fabbricazione di substrati cilindrici con un micro-pattern sulla superficie interna, che possano essere utilizzati come supporti per le cellule cardiache. La presenza del micro-pattern è molto importante poiché permette di guidare la disposizione spaziale delle cellule, con lo scopo di riprodurre l’allineamento cellulare presente nel muscolo cardiaco, una caratteristica essenziale della fisiologia del cuore. La piattaforma di test è stata poi sviluppata inserendo il costrutto all’interno di un circuito ed aggiungendo un elemento pompante per indurre un flusso all’interno del sistema e imporre uno stimolo meccanico alle cellule. Particolare attenzione è stata inoltre dedicata al mantenimento della vitalità e funzionalità cellulare. Sebbene alcuni aspetti dell’apparato necessitino ancora di alcuni miglioramenti, i risultati ottenuti sono molto promettenti e costituiscono una base per future analisi del comportamento di cellule cardiache.