Enhancing cardiac tissue alignment with mechanical stimulation on a microfluidic heart-on-chip

Mechanotranduction is a fundamental process in cell biology and involves the conversion of mechanical signals from the cell’s microenvironment into biochemical responses within cells, influencing crucial cellular functions like adhesion, migration, and gene expression. Cells are constantly exposed to mechanical forces in vivo and replicating the physiological condition in vitro is essential for advanced tissue engineering, regenerative medicine, and therapeutic interventions. To improve the fidelity and reproducibility of in vitro cell culture systems, researchers have introduced Organs-on-chip (OOC) technology, integrating conventional cell culture methodologies with advanced microfabrication and microfluidic technologies, enabling the exposure of cells to diverse physical cues. Among the OOC platforms, heart-on-a-chip models could be a pivotal step further for cardiac pathologies. Given the significant global mortality attributed to cardiac diseases and the limitations of current treatments, there is an urgent need for in vitro models of human heart tissue. Heart cells are continuously exposed to uniaxial mechanical stretching in vivo, occurring during the heart beating. Its mimicking in vitro has been proven to promote cardiomyocyte maturation and tissue fibres orientation and organization as the native tissue. The alignment of the heart tissue is crucial because it enhances the synchronous beating of cardiomyocyte and the electrical signal propagation. Cells orientations can be induced by topographical cues that influence the cytoskeletal organization of the cells, and by applying mechanical stretching, proven to lead cardiac cells to be oriented in the direction of the stretching application. The primary goal of this project thesis was to recreate the physiological alignment of heart tissue within a microfluidic platform, by combining geometrical confinements with mechanical stimulation. Due to the novelty of the idea several device designs were developed and characterized.

La meccanotrasduzione è un processo fondamentale nella biologia cellulare e comporta la conversione di segnali meccanici provenienti dall’ambiente cellulare in risposte biochimiche all'interno delle cellule stesse, influenzandone le funzioni cruciali come adesione, migrazione ed espressione genica. Le cellule sono costantemente esposte a forze meccaniche in vivo e replicare le condizioni fisiologiche in vitro è essenziale per l'ingegneria tissutale, la medicina rigenerativa e gli interventi terapeutici. Per migliorare la fedeltà e la riproducibilità dei sistemi di coltura cellulare in vitro, i ricercatori hanno introdotto la tecnologia Organi-su-chip (OOC), che integra le metodologie convenzionali di coltura cellulare con tecnologie avanzate di microfabbricazione e microfluidica, consentendo l'esposizione delle cellule a diversi stimoli fisici. Tra le piattaforme OOC, i modelli di cuore-su-chip rappresentano un passo avanti fondamentale per le patologie cardiache. Data la significativa mortalità globale attribuita alle malattie cardiache e le limitazioni degli attuali trattamenti, vi è un'urgente necessità di modelli in vitro del tessuto cardiaco umano. Le cellule cardiache sono continuamente esposte a tensione meccanica in vivo, che si verifica durante il battito cardiaco. È stato dimostrato che la sua imitazione in vitro promuove la maturazione dei cardiomiociti e l'orientamento e l'organizzazione delle fibre del tessuto come il tessuto nativo. L'allineamento del tessuto cardiaco è fondamentale perché favorisce il battito sincrono e la propagazione del segnale elettrico. L'orientamento delle cellule può essere indotto da stimoli topografici che influenzano l'organizzazione citoscheletrica delle cellule e dall'applicazione di una tensione meccanica, che ha dimostrato portare le cellule cardiache a orientarsi nella direzione della tensione applicata. L'obiettivo primario di questo progetto di tesi è stato quello di ricreare l'allineamento fisiologico del tessuto cardiaco all'interno di una piattaforma microfluidica, combinando confinamenti geometrici con la stimolazione meccanica. Data la novità dell'idea, diversi dispositivi sono stati sviluppati e caratterizzati.