Effects of ionizing radiation on microvascular network constructs

Microvascular damage have gain attention in recent years, due to the central role of microvasculature in body homeostasis and nourishment. In particular, damage caused by ionizing radiation have become of primary interest due to the number of patients undergoing radiotherapy as a treatment: along with tumorigenic masses, also healthy tissue is irradiated and microvasculature with it. Then, it is necessary to understand what the effects of ionizing radiations at a cellular level are. To reach this aim, in-vitro models are used up to date: the most important limitation is that in literature irradiation effects have been investigated only in few cases using a 3D model. In this way, the actual complexity of the human microvasculature and all its possible implications in damage mechanisms are neglected. In this work, a microfluidic approach was used, integrating the complexity of in-vivo structures in the in-vitro model. After optimization and characterization, irradiation treatments were performed on the model and their effect on microvasculature was investigated. In this work, a predictive model of nuclear and repair damage was also considered, and applied to predict the in-vitro output and then to fit the experimental results. An interesting feature is the saving in terms of time and costs, coupled with the possibility to have a predictive model of the output observable in vitro. Concluding, this work represents one of the first steps towards the optimization of the protocol to correctly and effectively assess the alterations produced by ionizing radiations on human microvasculature, exploiting mathematical and experimental tools.

Il danno microvascolare ha guadagnato attenzione negli ultimi anni, dovuto al ruolo centrale del sistema microvascolare nell'omeostasi e nel nutrimento del corpo. In particolare, i danni causati dalle radiazioni ionizzanti sono diventati di primario interesse per il numero di pazienti che si sottopongono al trattamento della radioterapia: insieme alle masse tumorigeniche, viene irradiato anche il tessuto sano e con esso il sistema microcircolatorio. Quindi, è necessario capire quali sono gli effetti delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare. Per raggiungere questo scopo sono stati utilizzati fino ad oggi modelli in vitro: il limite più importante è che, in letteratura, gli effetti dell'irraggiamento sono stati studiati solo in pochi casi utilizzando un modello 3D. In questo modo, viene trascurata l'effettiva complessità del sistema microvascolare umano e tutte le sue possibili implicazioni nei meccanismi di danno. In questo lavoro è stato utilizzato un approccio microfluidico, integrando la complessità delle strutture in vivo nel modello in vitro. Dopo l'ottimizzazione e la caratterizzazione, sono stati eseguiti irraggiamenti sul modello, seguendo diversi schemi di trattamento, ed è stato studiato il loro effetto sul microcircolo. In questo lavoro è stato anche considerato un modello predittivo della dinamica di danno-riparo del DNA, applicato per prevedere l'output in vitro e quindi per adattarsi ai risultati sperimentali. Una caratteristica interessante è il risparmio in termini di tempo e costi, unito alla possibilità di avere un modello predittivo dell'output osservabile in vitro. In conclusione, questo lavoro rappresenta uno dei primi passi verso l'ottimizzazione del protocollo per valutare correttamente ed efficacemente le alterazioni prodotte dalle radiazioni ionizzanti sul microcircolo umano, sfruttando strumenti matematici e sperimentali.