Advanced microfluidic flow-based assays for studies of shear-mediated platelet activation in blood contacting devices

This dissertation focuses on thromboembolic problems associated to blood contacting devices (BCDs). Thrombosis of BCDs is a serious complication that often compromises device performances and patient safety. Platelets play a major role in thrombosis and it is well known that non-physiologic shear stress acting on platelets - as it occurs in BCDs - can alter their response and trigger the formation of thrombi. The aim of this work is manifold in this context: i) design novel microfluidic platforms able to replicate dynamic shear stress conditions acting on platelets when flowing in BCDs (such as ventricular assist devices), ii) characterize and validate the microfluidic platforms by comparison to state-of-the-art laboratory-based devices, iii) provide an innovative method for testing anti-platelet drug efficacy in microfluidic platforms under realistic shear stress conditions. The microfluidic platforms developed in this project would have a great potential in both basic research science, since they will provide a novel methodology to test platelet response to shear, but also in translational research since they may be advanced to a Point-of-Care technology to test the efficacy of anti-platelet drugs in patients under realistic and device-specific shear flow conditions.

La tesi si basa sulle problematiche tromboemboliche associate a dispositivi a contatto con il sangue (o blood contacting devices, BCDs). Essa consiste in una grave complicazione a cui spesso vanno incontro pazienti portatori di BCDs, la quale può compromettere il funzionamento dei dispositivi e lo stato di salute del paziente. Le piastrine svolgono un ruolo fondamentale nel meccanismo della trombosi ed è inoltre noto che sforzi di taglio (shear stress) non fisiologici agenti sulle piastrine – come accade nei BCDs – possono alterare significativamente la loro risposta, determinando l’insorgenza della trombosi. L’obiettivo del presente lavoro è molteplice in questo contesto: i) progettare nuove piattaforme microfluidiche in grado di replicare le condizioni di shear stress dinamiche agenti sulle piastrine nei BCDs (come ad esempio dispositivi di assistenza ventricolare), ii) caratterizzare e validare le piattaforme microfluidiche per confronto con dispositivi allo stato dell’arte utilizzati nello studio dell’attivazione piastrinica mediata da shear stress, iii) fornire un metodo innovativo per testare l’efficacia di farmaci anti-piastrinici in piattaforme microfluidiche e in condizioni di shear stress realistiche. Le piattaforme microfluidiche sviluppate in questo lavoro hanno potenziale applicazione sia in ambito di ricerca, dal momento che forniscono una nuova metodologia per lo studio della risposta piastrinica indotta da shear stress, sia nella ricerca traslazionale, con l’obiettivo di avanzare la tecnologia ad un utilizzo di tipo Point-of-Care per consentire di testare l’efficacia di farmaci sul singolo paziente sotto condizioni di shear stress analoghe a quelle del reale dispositivo impiantato.