Coaxially electrospun membranes for in vitro glomerular filtration barrier modelling

The number of patients receiving renal replacement therapy in the world is said to double to approximately 5 million people by the year 2030. Even though there has been great progress in the current state of the understanding of the risk factors related to renal diseases and the mechanisms of their progression a lot of questions remain unanswered partly due to the intrinsic complexity of the anatomy and physiology of the kidneys. The first chapter of the thesis is an introductory overview of relevant concepts starting from the basic anatomy and physiology of the glomerular filtration barrier (GFB) and the state of the art of its in vitro. One of the interesting models involve the use of electrospun membranes to mimic the glomerular basement membrane. The fundamentals of the electrospinning technique are then introduced along with the relevant parameters in the process and the variations introduced in the method throughout literature. The first part ends with a closer look to coaxial electrospinning, a modified version of the nozzle electrospinning technique in which a coaxial needle is used to produce hollow or core-shell structured nanofibers, and its applications in the biomedical field. Coaxial electrospinning of gelatin – gelatin/fibrinogen membranes to model the glomerular basement membrane (GBM) to be used in the study of glomerular permeability in vitro is explored in chapter 2. Gelatin and fibrinogen were chosen as materials for their biocompatibility as well as their bioactive characteristics that provide biochemical cues to induce positive effects in cellular adhesion and proliferation. Electrospinning on micropatterned surfaces was also tested with aims to provide physical cues to the cells and further mimic the complex structure of the glomerular barrier. Electrospinning parameters were optimized by observing membranes and the fibres macroscopically and microscopically using SEM and TEM imaging techniques. Microstructured membranes consisting of nanometric fibers were obtained in the process which makes the method promising for the desired goal of mimicking the GBM. However, further analyses are still required to verify its efficiency on modelling the GBM. The study concludes with a preliminary conceptualization and design of a static membrane support and cell culture system for the electrospun scaffolds. The system is designed such that it allows for the co-culture of the two cellular components of the glomerular filtration barrier (glomerular endothelial cells and podocytes). An initial design of a dual-flow bioreactor is also made with the aims to enhance the mimicry of the environment of the cells in vivo. The design consists of two interlocking chambers that allows for the membrane to be placed in between, it also has entry and exit ways for the fluid cellular medium in the top and bottom compartments.

Il numero di pazienti che ricevono la terapia post-trapianto renale nel mondo è previsto a raddoppiare a circa 5 milioni di persone entro l'anno 2030. Anche se vi sono stati grandi progressi nello stato attuale della comprensione dei fattori di rischio legati alle malattie renali e dei meccanismi della loro progressione molte domande rimangono senza risposta, in parte a causa della complessità intrinseca dell'anatomia e della fisiologia dei reni. Il primo capitolo della tesi è una panoramica introduttiva di concetti rilevanti allo studio a partire dall'anatomia e fisiologia di base della barriera di filtrazione glomerulare(GFB) e lo stato dell'arte del suo studio in vitro. Uno dei modelli interessanti prevede l'uso di membrane elettrofilate per mimare la membrana glomerulare basale (GBM). I fondamenti della tecnica dell'elettrofilatura vengono poi introdotti con i parametri rilevanti nel processo e le variazioni introdotte nel metodo. La prima parte termina con l'elettrofilatura coassiale, una versione modificata della tecnica di elettrofilatura dell'ugello in cui un ago coassiale viene utilizzato per produrre nanofibre strutturate a guscio cavo o nucleo, e le sue applicazioni nel campo biomedico. L’elettrofilatura coassiale di membrane di gelatina (core) e gelatina/fibrinogeno (shell) per modellare la membrana glomerulare basale viene esplorata nel secondo capitolo. La gelatina e il fibrinogeno sono stati scelti come materiali per la loro biocompatibilità, nonché la loro caratteristiche bioattive che forniscono stimoli biochimici per indurre effetti positivi all'adesione e nella proliferazione cellulari. L'elettrofilatura su superfici micropatterned è testato con l'obiettivo di fornire stimoli fisici alle cellule e ulteriormente imitare la struttura complessa della barriera glomerulare. I parametri di elettrofilatura sono stati ottimizzati analizzando le membrane e le fibre macroscopicamente e microscopicamente utilizzando tecniche microscopiche e di imaging SEM e TEM. Le membrane microstrutturate costituite da fibre nanometriche sono state ottenute nel processo che rende il metodo promettente per l'obiettivo desiderato di imitare il GBM. Sono tuttavia necessarie ulteriori analisi per verificarne l'efficienza nella modellizzazione del GBM. Lo studio si conclude con una concettualizzazione preliminare e la progettazione di un sistema di co-coltura statica e di uno dinamico. Il sistema è progettato in modo da consentire la co-coltura dei due componenti cellulari della barriera di filtrazione glomerulare (cellule endoteliali glomerulari e podociti). Un disegno iniziale di un sistema dinamico a doppio flusso è realizzato con l'obiettivo di migliorare la mimetizzazione dell'ambiente delle cellule in vivo. Il design è costituito da due camere ad incastro che consentono di posizionare la membrana fra di esse con vie entrata e di uscita per i fluidi nei compartimenti superiore e inferiore.