Investigation of biomechanical stimuli on HUVECs in in-vitro models

Biomechanical stimuli are one of the main elements influencing cell’s behavior inside our body. Understanding how cells respond to those stimuli is very complicated and sometimes still unclear. Hydrostatic pressure together with shear stress and strain are crucial to maintaining cardiovascular homeostasis. Hydrostatic pressure, in particular, plays a significant role in the cardiovascular system and impairment in its physiological values can cause hypertension which leads to the rise of cardiovascular diseases, which are one of the main causes of death worldwide. Since the role and the influence of hydrostatic pressure on the cell’s behavior are not completely understood and clear, the main focus of my thesis is concentrated on the investigation of the effect of this stimulus on HUVECs. Morphological, viability and RNA-seq analysis are conducted on cells stimulated with a wide range of pressure conditions and waveforms using a new high-throughput pressure device. The gene expression of HUVECs stimulated with hydrostatic pressure is then related to the one of shear stress. Investigating the relationship between these stimuli can serve as a step toward advancing our understanding of the effects of biomechanical stimuli on cells. It is widely known that recreating physiological conditions at the microscale provides a more favorable environment for cells compared to macro-scale environments. As a result, a novel microfluidic environment has been developed to incorporate all the biomechanical stimuli found in the cardiovascular system. The objective is to investigate how these stimuli collectively interact to shape the cellular phenotype and determine their specific roles in HUVECs. The device is composed of a fluidic and a pressure channel divided by a deformable membrane. To understand how the fluid and the membrane interact with each other and to evaluate the biomechanical stimuli the cell experiences, a fluid-structure simulation was performed. This research aimed to improve the knowledge gaps in how biomechanical stimuli influence cell behavior, particularly focusing on hydrostatic pressure’s impact on HUVECs. A microscale approach could be a further improvement in the study of biomechanical stimulation and in the investigation of cells’ response to them.

La stimolazione biomeccanica risulta essere molto influente nel comportamento cellulare all’interno del nostro corpo. Capire come le cellule rispondono a stimoli biomeccanici è cruciale e ancora non del tutto chiaro. In particolare la pressione idrostatica gioca un ruolo chiave, insieme allo shear stress e allo strain, nel mantenimento della stabilità del sistema cardiovascolare. Quando la pressione idrostatica supera i valori fisiologici, può insorgere l’ipertensione, che è un fattore di rischio per le malattie cardiovascolari, che sono una tra le principali cause di morte a livello globale. La mia tesi si concentra in particolar modo sullo studio della pressione idrostatica. Lo studio è stato svolto su HUVEC e analisi morfologiche, di viabilità e dell’RNA sono state svolte su cellule stimolate tramite l’utilizzo di un nuovo device high-throughput. L’espressione genica ricavata dall’analisi dell’RNA sulle HUVEC è stata poi comparata con l’espressione genica ricavata da HUVECs sottoposte allo stimolo dello shear stress per verificare se ci fossero geni in comune tra questi stimoli biomeccanici. Capire come questi stimoli agiscono singolarmente e simultaneamente e capire come sono interconnessi tra loro risulta essere significativo. Inoltre, passare dalla macroscala alla microscala è molto importante per cercare di riprodurre al meglio l’ambiente fisiologico. È per questo che durante il mio percorso di tesi ho sviluppato un dispositivo microfluidico che permettesse di riprodurre i 3 stimuli più influenti del sistema cardiovascolare: shear stress, strain e la pressione idrostatica. L’obiettivo è comprendere come questi stimoli, insieme, influenzano il comportamento cellulare. Il dispositivo è composto da 2 canali sovrapposti e separati da una membrana deformabile. Per quantificare i valori degli stimoli biomeccanici a cui sono sottoposte le cellule è stata svolta una simulazione fluido-struttura. Per concludere, questa ricerca ha l’obiettivo di colmare alcune lacune nella comprensione di come gli stimoli biomeccanici influenzino il comportamento delle cellule, focalizzandosi in particolare sull’effetto della pressione idrostatica sulle HUVECs. L’approccio in microscala potrebbe rappresentare un ulteriore avanzamento nello studio della stimolazione biomeccanica e nella ricerca della risposta cellulare a tali stimoli.