Optimization of a vascularized gut on a chip device to study angiodysplasia in Von Willerbrand disease

Von Willebrand disease (VWD) is the most common inherited bleeding disorder, caused by reduced or dysfunctional Von Willerbrand factor (VWF). This pathology is frequently associated with recurrent gastrointestinal bleeding from angiodysplasia, a condition increasingly linked not only to impaired haemostasis but also to abnormal microvascular architecture and endothelial dysregulation. To address the lack of controllable human models that combine tissue crosstalk and gut-relevant biomechanics, this thesis develops and benchmarks a vascularised gut-on-a-chip platform to study how epithelial cues, peristaltic-like deformation and VWF status shape intestinal microvascular morphogenesis. A three-channel microfluidic device was used to form 3D endothelial networks in a central fibrin hydrogel, with an adjacent epithelial compartment separated by pillar arrays enabling epithelial–endothelial communication; a dynamic configuration applied cyclic deformation (0.2 Hz, 10\% strain) to mimic peristalsis. Network formation and remodelling were quantified through longitudinal bright-field morphometrics (length/branches/junctions) and endpoint confocal readouts (% endothelial networks area coverage and 3D normalised mean vessel volume). Under static conditions, HUVECs monocultures rapidly self-organised into interconnected networks within 24 h but regressed after 48 h and collapsed by day 4, defining a narrow stability window. Introducing intestinal epithelium prevented collapse and maintained vessel-like structures up to at least day 11; epithelial composition further tuned remodelling, with mixed Caco-2/HT29-MTX favouring calibre selection into fewer, larger vessels compared with Caco-2 alone. In dynamic culture, bright-field metrics indicated increased ramification and network length, whereas endpoint confocal metrics showed reduced area coverage and smaller 3D vessel volume, highlighting trade-offs and the need for multimodal readouts. To model VWF deficiency, HUVECs were transiently silenced (siVWF2; 5–10% residual mRNA), revealing context-dependent effects on coverage and calibre, particularly in epithelial co-culture. Overall, the platform establishes a coherent framework to dissect epithelial boundary conditions, mechanics and VWF-dependent phenotypes in a gut-relevant microenvironment, with clear priorities for future upgrades (notably controlled perfusion and cohort scaling).

La malattia di Von Willebrand (VWD) è la patologia ereditaria più comune che causa sanguinamento, dovuta a una riduzione o a un malfunzionamento del fattore di Von Willerbrand (VWF). Questa patologia è spesso complicata da sanguinamenti gastrointestinali ricorrenti dovuti ad angiodisplasia; evidenze cliniche e sperimentali indicano che il problema non riguarda solo il difetto emostatico, ma anche un’alterazione primaria della parete vascolare e dell’omeostasi endoteliale. In questo contesto, la tesi sviluppa e valida una piattaforma “vascularised gut-on-a-chip” per studiare in modo controllato l’effetto combinato di segnali epiteliali, deformazione peristaltica e stato del VWF sulla morfogenesi della microvascolarizzazione intestinale. Il dispositivo microfluidico impiega tre canali: una matrice di fibrina centrale per l’auto-assemblaggio 3D delle cellule endoteliali e un canale laterale per un compartimento epiteliale, separato da pilastri che consentono comunicazione epitelio–endotelio; una configurazione dinamica applica deformazione ciclica per mimare la peristalsi (0,2 Hz; 10% strain). La vascolarizzazione è stata quantificata con un approccio multimodale: metriche 2D da bright-field (lunghezze/ramificazioni/giunzioni) e misure endpoint da confocale (copertura areale VE-cadherin e volume vascolare 3D normalizzato come proxy del calibro). In condizioni statiche, le HUVECs formano rapidamente reti interconnesse entro 24 h ma vanno incontro a regressione dopo 48 h fino al collasso entro il giorno 4, definendo una finestra di stabilità limitata. L’integrazione dell’epitelio intestinale previene il collasso e mantiene strutture vascolari fino ad almeno 11 giorni; inoltre, la composizione epiteliale modula il rimodellamento, con l’epitelio misto Caco-2/HT29-MTX associato a selezione di calibro e organizzazione in vasi meno numerosi ma più grandi rispetto a Caco-2 da solo. In dinamica, la deformazione ciclica aumenta la ramificazione secondo le metriche longitudinali, ma riduce copertura areale e volume 3D a endpoint, indicando un fenotipo “più ramificato ma più sottile” e sottolineando la necessità di più readouts. Per modellare la carenza di VWF, le HUVECs sono state silenziate con siRNA (siVWF2; 5–10% mRNA residuo), evidenziando effetti dipendenti dal contesto (in particolare in co-coltura con epitelio) su espansione e calibro. Nel complesso, la tesi stabilisce un workflow robusto per studiare l’interazione fra boundary conditions epiteliali, meccanica peristaltica e stato del VWF in un microambiente intestinale controllabile, e propone sviluppi prioritari (per esempio l’introduzione di perfusione controllata e l’ampliamento delle coorti).