Sviluppo di un dispositivo per l'applicazione di sollecitazioni fluidodinamiche multidirezionali controllate a monolayer di cellule endoteliali

Atherosclerosis is an inflammatory chronic-degenerative disease of the cardiovascular system and mainly affects medium and large calibre arteries. It is caused by the formation of lipid plaques (atheromas) in the inner layer of the tunica intima, and it is usually due to aging, lifestyle, and other systemic factors. However, it has been verified that disturbed local hemodynamic also influence atherosclerotic plaque formation, especially in those regions characterized by nonlinear geometry, such as curvatures and bifurcations, where blood flow can take on a multidirectional nature. In the literature, there are several devices that investigate the correlation between disturbed hemodynamic and disease, but none of them can accurately reproduce the multidirectionality of flow, besides the fact that they are designed to stimulate only cell monolayers and not tissue samples. The device this thesis is focused on, Multidirectional Shear Stress Bioreactor (MSSB), aims to overcome these two shortcomings by investigating in detail the relationship between pathology onset and multidirectionality of flow, recreated by applying specific rotation protocols on the cellular sample. The aim of this study is to further develop the system, both from a software and hardware point of view. In particular, a derivative version has been designed and built, improved in some respects and simplified for others. In fact, it allows to stimulate several samples in parallel and, thanks to a new design of the MSSB itself, makes it possible to observe the sample in microscopy without extracting it from the bioreactor. In addition, other improvements such as wireless communication with the user interface made it more compact and manageable. However, these ameliorations have also brought with them the reduction of peripherals that is possible to use (for example, sensors cannot be connected). For this reason, at least in its current version, the new system has the aim of flanking and not replacing the original device, allowing to analyze situations of similar scientific interest but not completely overlapping. During this work of thesis was also carried out the experimental campaign on monolayers of primary endothelial cells of human aorta, performed at the laboratory of the Cardiovascular Research Center of the San Raffaele Hospital in Milan.

L’aterosclerosi è una patologia infiammatoria cronico-degenerativa del sistema cardiovascolare e riguarda soprattutto le arterie di medio e grosso calibro. È causata dalla formazione di placche lipidiche (ateromi) nell’ultimo strato della tunica intima ed è solitamente dovuta all’invecchiamento, allo stile di vita e ad altri fattori sistemici. Tuttavia, è stato verificato che anche un’emodinamica locale disturbata influenza la formazione dell’ateroma, soprattutto in quelle regioni caratterizzate da una geometria non lineare, come curvature e biforcazioni, in cui il flusso sanguigno può assumere un carattere multidirezionale. In letteratura, vi sono diversi dispositivi sviluppati per indagare la correlazione tra l’emodinamica disturbata e la malattia, ma nessuno di questi è in grado di riprodurre in modo accurato la multidirezionalità del flusso, oltre al fatto che sono stati progettati per stimolare solo monolayer cellulari e non campioni tissutali. Il dispositivo oggetto del presente lavoro di tesi, Multidirectional Shear Stress Bioreactor (MSSB), si pone l’obiettivo di superare queste due mancanze, indagando più nel dettaglio la relazione tra insorgenza della patologia e multidirezionalità del flusso, grazie all’applicazione di protocolli di rotazione sul campione cellulare. Lo scopo del presente studio è quindi quello di sviluppare ulteriormente tale sistema, sia dal punto di vista software che hardware. In particolare, ne è stata progettata e realizzata una versione da esso derivata, migliorata per certi aspetti e semplificata per altri. Infatti, essa consente di stimolare più campioni in parallelo e, grazie a un nuovo design del MSSB stesso, rende possibile osservare il campione in microscopia senza doverlo necessariamente estrarre dal bioreattore. Inoltre, altri accorgimenti come la comunicazione wireless con l’interfaccia utente lo hanno reso maggiormente compatto e maneggevole. Tuttavia, questi miglioramenti hanno portato con sé anche la riduzione delle periferiche che è possibile utilizzare (ad esempio, non possono essere collegati sensori). Per questo motivo, almeno nella sua versione attuale, il nuovo sistema ha l’obiettivo di affiancare e non sostituire il dispositivo originale, consentendo di analizzare situazioni di interesse scientifico simile ma non del tutto sovrapponibili. Durante il lavoro di tesi è stata inoltre portata avanti la campagna sperimentale su monolayer di cellule endoteliali primarie di aorta umana, svolta presso il laboratorio del Centro di Ricerca Cardiovascolare dell’Ospedale San Raffaele di Milano.