Validation of a 3D micro-structured millifluidic model of angiogenesis in skin wound healing

Skin injuries are a prevalent occurrence during human life, interrupting tissue continuity and overall bodily homeostasis. Any imbalance during skin wound healing can cause wound chronicity, thus the formation of hypertrophic scars. In tissue regeneration, angiogenesis plays a pivotal role since it ensures the provision of nutrients and oxygen to the nascent tissue, compromised in chronic wounds. However, even if the available therapeutical treatments are promising, they are generally costly and lack vascularization to promote skin regeneration. In vitro angiogenesis models can be a valuable instrument to comprehend more in-depth wound healing, to develop new effective therapeutic strategies or for drug testing purposes. In this work a three-dimensional micro-structured millifluidic model of angiogenesis in skin wound healing has been validated with the aim of mimicking the process occurring during wound healing within the dermis. The Two-Photon Polymerization (2PP) laser technique was exploited to fabricate the Microatlas array, a three-dimensional substrate for cells’ seeding. This was included in a Miniaturized Optically Accessible Bioreactor (MOAB), crucial to perfuse the co-cultures of endothelial cells and fibroblasts, mimicking the in vivo condition of interstitial flow, thanks to a robust supportive in silico model. The contribution of two pro-angiogenic growth factors (VEGF and TGF- β1) was also investigated with respect to a control sample, both in flat and 3D conditions. The results showed the effectiveness of the developed millifluidic platform in mimicking angiogenesis in vitro in case of coexistence of both Microatlas and VEGF. In the next future, further computational and experimental studies will be added to enhance the biological relevance of the implemented model.

Le lesioni cutanee hanno un’occorrenza elevata nella vita umana, interrompendo la continuità del tessuto e compromettendo l’omeostasi dell’intero organismo. Qualsiasi squilibrio durante le fasi di guarigione della ferita può rendere quest’ultima cronica, spesso caratterizzata dalla formazione di cicatrici ipertrofiche. Nell’ambito della medicina rigenerativa, il processo di angiogenesi riveste un ruolo cruciale, in quanto garantisce l’apporto di nutrienti e ossigeno al tessuto neoformato, spesso compromesso nel contesto delle ferite croniche. Tuttavia, nonostante gli attuali possibili trattamenti terapeutici siano promettenti, hanno costi elevati e generalmente non hanno la capacità di promuovere la vascolarizzazione adeguata a rigenerare efficacemente il tessuto danneggiato. Modelli di angiogenesi in vitro costituiscono validi strumenti per comprendere in modo più esaustivo il processo di rigenerazione della pelle, oltre che per sviluppare nuove strategie terapeutiche o testare l’efficacia di nuovi farmaci. In questo lavoro di Tesi è stato validato un modello millifluidico tridimensionale per mimare il processo di angiogenesi che avviene nel derma durante la rigenerazione della pelle, in seguito ad una ferita. La tecnica avanzata di polimerizzazione a due fotoni è stata utilizzata per la fabbricazione di array di Microatlas che costituiscono il substrato tridimensionale per la semina cellulare. Tale substrato è stato integrato in un bioreattore miniaturizzato otticamente accessibile (MOAB), cruciale per la perfusione delle co-colture di cellule endoteliali e fibroblasti, con lo scopo di simulare la condizione fisiologica di flusso interstiziale, resa possibile grazie allo sviluppo di un modello computazionale efficace. È stato inoltre indagato l’effetto di due fattori pro-angiogenici (VEGF e TGF-β1), rispetto ad un campione di controllo, sia su substrato 2D che 3D. I risultati del lavoro di ricerca hanno dimostrato l’efficacia della piattaforma millifluidica sviluppata nell’indurre angiogenesi in vitro nello specifico caso di compresenza di Microatlas e VEGF. Tuttavia, ulteriori miglioramenti computazionali e sperimentali possono essere implementati per accrescere la rilevanza scientifica del modello.