Design and development of a perfusable stenotic microchannel to investigate the role of leukocytes and platelets in atherosclerosis

Ischemic heart disease, stroke, angina pectoris are cardiovascular pathologies which represent the leading cause of death worldwide, killing an estimated 17.9 million of patients every year. Atherosclerosis is the underlying cause of these pathological conditions, consisting in the progressive enlargement of the vessel wall leading to severe obstruction of blood flow, leaving distal organs devoid of nutrients and oxygen. Microfluidics is a powerful tool for the studying of this condition, allowing to reproduce the blood vessel in a polymeric platform. By using small volumes of blood, it is possible to evaluate the interplay between blood components and endothelial cells or molecules involved in atherosclerosis. The present study consisted in the design and development of a 3D printed perfusable stenotic microchannel with a rectangular cross-section. The performance of the rectangular cross-section has been evaluated by perfusion of fluorescent microbeads in the channels and by measuring the flow recirculation area that was formed at the post-stenosis region. The results were quantitatively comparable with the value of flow recirculation area obtained with a cylindrical channel. The latter are most used in the state of art, allowing a closer resemblance of the environment in vivo, but the manufacturing procedure of these channels may be complex and time-consuming. This study has assessed the effectiveness of rectangular cross-sectional channels, which implicate easier fabrication methods, in replicating flow recirculation. Moreover, rectangular channels allow to have an easier visualization at the microscope after experiments and permit to easily coat the base surface only. Furthermore, the channel has been coated with various adhesion molecules (alone or combined together) such as collagen, von Willebrand Factor (vWF), intercellular adhesion molecule 1 (ICAM-1) and E-selectin to stimulate the adhesion of platelets and recruitment of leukocytes, when perfused with whole blood. The combination of vWF, ICAM-1 and E-selectin successfully showed adhesion of both blood components, with the highest density being in the distal part of the channel. However, there was a lack of either platelets or leukocytes in correspondence of the stenosis and high adhesion of platelets was detected in the whole channel. In future, the designed microchannel may be used for testing therapies and drugs or discrimination of healthy and diseased blood.

Le patologie cardiovascolari, come la cardiopatia ischemica o l’ictus, rappresentano la principale causa di morte a livello mondiale, con una stima di 17.9 milioni di decessi ogni anno. L'aterosclerosi è alla base di queste patologie e consiste nel progressivo ispessimento della parete dei vasi sanguigni portando ad una grave ostruzione del flusso, provocando una riduzione dell’apporto di nutrienti e ossigeno agli organi distali. La microfluidica emerge come uno strumento utile per lo studio di questa condizione, in quanto consente di simulare l’anatomia dei vasi sanguigni in una piattaforma polimerica. Utilizzando piccoli volumi di sangue, è possibile esaminare l'interazione tra piastrine o leucociti e le cellule endoteliali o le molecole coinvolte nell'aterosclerosi. Il presente studio si è focalizzato nella progettazione e nello sviluppo di un canale microfluidico con geometria stenotica e sezione rettangolare che è stato prodotto tramite stampa 3D. Le prestazioni del chip progettato sono state valutate mediante la perfusione di microsfere fluorescenti e successivamente con la misurazione dell'area di ricircolo del flusso che si formava nell'area post-stenotica. I valori ottenuti sono risultati quantitativamente comparabili con il valore dell’area di ricircolo di un canale cilindrico. Questi ultimi sono maggiormente utilizzati in letteratura e permettono di ottenere una geometria più simile all’ambiente in vivo, sebbene prevedano procedure di fabbricazione piuttosto complesse ed elaborate. In questo studio è stata valutata l’efficacia di una geometria rettangolare, più facile da realizzare, nel replicare l’area di ricircolo. I canali rettangolari offrono, inoltre, vantaggi in termini di visualizzazione più efficace al microscopio dopo gli esperimenti e la possibilità di creare un rivestimento, in modo semplice, sulla singola base del canale. Il chip è stato poi rivestito con varie molecole di adesione (da sole o combinate) come collagene, fattore di von Willebrand (vWF), molecola di adesione intercellulare 1 (ICAM-1) ed E selectina al fine di stimolare l'adesione delle piastrine e il reclutamento dei leucociti dopo la perfusione con sangue intero. La combinazione di vWF, ICAM-1 ed E-selectina ha mostrato con successo l'adesione di entrambi i componenti del sangue, maggiore nella parte distale del canale. Tuttavia, in corrispondenza della stenosi non è stata notata adesione di cellule, mentre negli altri tratti del canale è stata osservata un'elevata adesione di piastrine. In futuro, il microcanale sviluppato potrebbe essere utilizzato per testare terapie e farmaci, nonché per la distinzione di sangue sano da quello patologico.