Modeling thrombosis in a microfluidic system: the effect of shear stress, microparticles and protein surfaces

Platelets play a central role in hemostasis, but in case of platelet dysfunction, they can lead to excessive bleeding, thrombosis, myocardial infarction, ischemic stroke. It is important to properly monitor platelet activity and, in this regard, many platelet function testing devices are commercially available. However, only few accepted clinical methods evaluate platelet activity under physiological flow conditions. The present work focuses on the characterization of a microfluidic platform to reach two main purposes: assess thrombus formation under in vivo-like flow conditions, simulating the presence of a vessel injury by coating the channels of a microfluidic device with extracellular matrix (ECM) proteins to promote platelet activity; develop an easy-to-use, label-free system, using a pressure sensor to assess platelet activity. The effect of shear stress and different ECM immobilized proteins on platelet adhesion and aggregation has been investigated. Results show how, except for collagen, all the other protein substrates are not able to promote significant platelet aggregation; moreover, high shear stresses allow good platelet adhesion only on collagen and fibrinogen. Platelet activity alteration caused by high levels in blood of platelet-derived microparticles (PDMPs) was evaluated via the same platform. Results show reduced platelet aggregation when PDMPs are present, especially at high shear stress. This altered platelet activity may lead to a high number of circulating activated microaggregates and to further increased levels of PDMPs, that can cause severe complications in vivo, such as microthrombosis or organ failure. The effect of Covid-19 on platelet activity was also investigated. Analysis between the two donor groups (healthy subjects and covid patients) does not highlight relevant differences; however, more experiments should be performed to confirm the absence or presence of any statistically significant difference. The addition of the pressure sensor to the platform allowed to perform the preliminary tests for the design of a bedside point-of-care device, however more precise results are needed to proceed with the device development.

Le piastrine svolgono un ruolo centrale nel processo emostatico, ma disfunzioni piastriniche possono causare sanguinamento, trombosi, infarto, ictus ischemico. È importante quindi monitorare opportunamente l’attività piastrinica; al giorno d’oggi sono disponibili numerosi test di funzionalità piastrinica, tuttavia, solo pochi dei metodi clinicamente accettati operano in condizioni di flusso simil-fisiologiche. A tal proposito, il presente lavoro prevede la caratterizzazione di una piattaforma microfluidica per raggiungere due obiettivi principali: valutare la formazione di trombi in condizioni di flusso simili a quelle in vivo, rivestendo i canali di un chip microfluidico con proteine della matrice extracellulare (ECM) per simulare un danno ai vasi sanguigni e promuovere l’attività piastrinica; sviluppare un dispositivo label-free e di semplice utilizzo, che utilizzi un sensore di pressione per valutare l’attività piastrinica. È stata valutata l’influenza che lo shear stress e le differenti proteine testate hanno su adesione ed aggregazione piastrinica. I risultati mostrano come, ad eccezione del collagene, tutti gli altri substrati, da soli, non siano in grado di promuovere l’aggregazione piastrinica; inoltre, alti shear stress premettono una buona adesione solo su collagene e fibrinogeno. Con la stessa piattaforma è stata valutata l’alterazione dell’attività piastrinica causata da alti livelli nel sangue di microparticelle piastriniche (PDMPs). I risultati evidenziano una ridotta aggregazione in presenza di PDMPs, soprattutto ad alti shear stress. Tale alterazione potrebbe comportare la formazione di numerosi microaggregati particolarmente reattivi in circolo, oltre che causare un ulteriore aumento dei livelli di PDMPs, con il rischio di complicazioni in vivo come microtrombosi o collasso di organi. Si è anche analizzato l’effetto del Covid-19. Le analisi effettuate non evidenziano particolari alterazioni dell’attività piastrinica, ma, per risultati più accurati, è necessario realizzare un maggior numero di esperimenti. L’inserimento del sensore di pressione nella piattaforma ha permesso di realizzare dei test preliminari per la progettazione di un dispositivo bedside; valutazioni più accurate sono però necessari per procedere con lo sviluppo del dispositivo.