Cardiovascular diseases (CDVs) represent nowadays one of the leading causes of death in the world. Among them, also cardiomyopathies developed as a secondary effect of genetic pathologies are present. For this reason, it is crucial to generate functional cardiac models to study pathological mechanisms and to develop new treatments. The present work shows the development of a custom-made electrical stimulation circuit for stimulating 3D cardiac microtissues in a new heart-on-chip device. The first part of this work consisted in the redesign of an heart-on-chip platform, in order to make it suitable for electrical stimulation. Micro-guides for electrodes insertion in the lateral channels of the chip were designed and small “blocking elements” were added at the opposite side of guides inlets, so as to maintain the electrodes in position. The second part of this work consisted in the design and development of the electric stimulation circuit that ensured the proper stimulation patterns to be applied to cardiac microtissues from hiPSC-CMs during culture. A 3D printed PLA case was also designed and fabricated to house the circuit, so that it can be easily used inside a biological laboratory without the risk of damages. Finally, a preliminary biological campaign was performed to prove that the electric stimulation circuit could be applied to 3D microtissues from hiPSC-CMs in the designed heart-on-chip platform. The circuit proved to be able to generate the desired outputs and, also, it could be used to perform two different stimulation patterns at the same time. The new design of the heart-on-chip could be easily plugged to the electrical stimulation system through stainless steel electrodes, allowing to obtain the correct signal in correspondence of the micro construct. The preliminary experiments showed that the developed system was able to generate functional cardiac microtissues, which were also able to positively respond to external chemical chronotropic stimuli. Thus, the system could be used in future as a tool for biological experiments to generate functional physiologic/pathologic cardiac models.
Le patologie cardiovascolari rappresentano ad oggi una delle principali cause di morte a livello mondiale. Tra di esse sono comprese anche le cardiomiopatie che possono essere sviluppate come effetto secondario ad altre patologie. Per questo è fondamentale lo sviluppo di modelli cardiaci funzionali per lo studio dei meccanismi patologici e per sviluppare nuovi farmaci. Il lavoro qui presentato ha come obiettivo lo sviluppo di un circuito per la stimolazione elettrica di costrutti cellulari tridimensionali in un nuovo heart-on-chip. In particolare, il circuito è stato pensato per essere applicato su microtessuti cardiaci derivati dal differenziamento di cellule staminali a pluripotenza indotta. La prima parte di questo progetto ha visto la progettazione e la produzione di un heart-on-chip. In particolare, al design inziale sono state aggiunte delle microguide per consentire l’inserimento di elettrodi in corrispondenza delle camere laterali. Inoltre, sono stati inseriti dei piccoli “blocchi” dalla parte opposta rispetto all’ingresso delle microguide, per garantire il corretto posizionamento degli elettrodi. La seconda parte del lavoro ha riguardato la progettazione e lo sviluppo del circuito per la stimolazione elettrica, che potesse assicurare una corretta stimolazione dei microtessuti cardiaci sviluppati dalla coltura di hiPSCs-CMs. Dopo di che, è stata progettata e prodotta una scatola in PLA tramite stampa 3D, per poter ospitare il circuito. Il sistema è stato infatti pensato per poter essere utilizzato all’interno di un laboratorio biologico, per cui è necessario che la componentistica elettronica sia protetta dall’ambiente esterno, per evitare possibili danni. Infine, è stato progettato e condotta una campagna biologica preliminare per poter validare il circuito. L’esperimento ha previsto l’utilizzo di cardiomiociti da cellule staminali a pluripotenza indotta umane coltivate all’interno della piattaforma microfluidica sviluppata. Il circuito elettronico ottenuto permette di generare i pattern di stimolazione scelti. Inoltre, grazie alla presenza dei due canali di output, è possibile produrre due pattern di stimolazione contemporaneamente. Il nuovo design della piattaforma microfluidica è risultato compatibile con il sistema di stimolazione elettrica, al quale può essere facilmente collegato tramite elettrodi in acciaio inossidabile, che consentono di ottenere il segnale voluto in corrispondenza del costrutto cardiaco. L’esperimento biologico ha mostrato come, tramite la stimolazione elettrica, si siano ottenuti costrutti funzionali. Per questo, il sistema per la stimolazione elettrica sviluppato potrà essere usato in futuro per esperimenti biologici per lo sviluppo di modelli cardiaci fisiologici/patologici.
Development of an electrical stimulation circuit for advanced culture of induced pluripotent stem cells in a heart-on-chip platform
Pernici, Caterina
2020/2021
Abstract
Cardiovascular diseases (CDVs) represent nowadays one of the leading causes of death in the world. Among them, also cardiomyopathies developed as a secondary effect of genetic pathologies are present. For this reason, it is crucial to generate functional cardiac models to study pathological mechanisms and to develop new treatments. The present work shows the development of a custom-made electrical stimulation circuit for stimulating 3D cardiac microtissues in a new heart-on-chip device. The first part of this work consisted in the redesign of an heart-on-chip platform, in order to make it suitable for electrical stimulation. Micro-guides for electrodes insertion in the lateral channels of the chip were designed and small “blocking elements” were added at the opposite side of guides inlets, so as to maintain the electrodes in position. The second part of this work consisted in the design and development of the electric stimulation circuit that ensured the proper stimulation patterns to be applied to cardiac microtissues from hiPSC-CMs during culture. A 3D printed PLA case was also designed and fabricated to house the circuit, so that it can be easily used inside a biological laboratory without the risk of damages. Finally, a preliminary biological campaign was performed to prove that the electric stimulation circuit could be applied to 3D microtissues from hiPSC-CMs in the designed heart-on-chip platform. The circuit proved to be able to generate the desired outputs and, also, it could be used to perform two different stimulation patterns at the same time. The new design of the heart-on-chip could be easily plugged to the electrical stimulation system through stainless steel electrodes, allowing to obtain the correct signal in correspondence of the micro construct. The preliminary experiments showed that the developed system was able to generate functional cardiac microtissues, which were also able to positively respond to external chemical chronotropic stimuli. Thus, the system could be used in future as a tool for biological experiments to generate functional physiologic/pathologic cardiac models.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/188552