Development and characterization of a vessel-on-chip platform for vascular biology studies

This thesis presents the development and structural–functional validation of a squared polydimethylsiloxane (PDMS) vessel-on-chip (VoC) platform designed to study endothelial organization and inflammatory activation relevant to vascular pathologies primary affecting the endothelium. The validated chip demonstrated geometric robustness and reproducibility, with a mean lumen diameter of 161.09 ± 4.76 µm (CV =2.96%) and a75%experimental retention rate. Model performance was primarily evaluated in response to inflammatory stimulation. Lipopolysaccharide (LPS) exposure significantly reduced VE cadherin-defined endothelial surface coverage (62.79 ± 13.32% vs 86.83 ± 1.57% in controls) and induced robust E-selectin expression (30.6 ± 12.0% E-selectin positive cells), demonstrating inflammatory activation and barrier disruption without consistent endothelial depletion. The effects of flow were additionally assessed, with endothelial monolayers maintaining confluence and exhibiting mild directional alignment, without evidence of structural compromise. To explore increased physiological complexity, a complementary circular hydrogel based VoC was assessed. Although initial lumen templating was technically achievable, endothelialized hydrogel vessels exhibited reduced retention (30%), a smaller final lumen diameter (129.43 ± 7.94 µm, CV = 6.13%), and greater structural variability, limiting reproducibility under the current protocol. Overall, the squared PDMS VoC represents a simple, reproducible, and experimentally robust microphysiological platform suitable for studying endothelial inflammatory responses. While the hydrogel model offers increased biological relevance, further optimization is required to improve structural stability and reproducibility.

Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione strutturale-funzionale di una piattaforma vessel-on-chip (VoC) in polidimetilsilossano (PDMS) a geometria quadrata, progettata per lo studio dell’organizzazione endoteliale e dell’attivazione infiammatoria rilevante nelle patologie vascolari che colpiscono primariamente l’endotelio. Il chip validato ha dimostrato robustezza geometrica e riproducibilità, con un diametro luminale medio di 161.09 ± 4.76 µm (CV = 2.96%) e un tasso di ritenzione sperimentale del 75%. Le prestazioni del modello sono state valutate principalmente in risposta alla stimolazione infiammatoria. L’esposizione a lipopolisaccaride (LPS) ha determinato una significativa riduzione della copertura endoteliale definita dalla VE-caderina (62.79 ± 13.32% vs 86.83 ± 1.57% nei controlli) e una marcata espressione di E-selectina (30.6 ± 12.0% di cellule E-selectina positive), evidenziando attivazione infiammatoria e compromissione della funzione di barriera in assenza di una consistente deplezione endoteliale. Gli effetti del flusso sono stati inoltre valutati, mostrando il mantenimento della confluenza endoteliale e un lieve allineamento direzionale, senza evidenza di alterazioni strutturali. Al fine di esplorare una maggiore complessità fisiologica, è stato valutato un VoC circolare complementare basato su idrogel. Sebbene la formazione iniziale del lume fosse tecnicamente ottenibile, i vasi endotelizzati in idrogel hanno mostrato una minore ritenzione (30%), un diametro luminale finale inferiore (129.43 ± 7.94 µm, CV=6.13%) e una maggiore variabilità strutturale, limitandone la riproducibilità con il protocollo attuale. Nel complesso, il VoC quadrato in PDMS rappresenta una piattaforma microfisiologica semplice, riproducibile e sperimentalmente robusta, idonea allo studio delle risposte infiammatorie endoteliali. Il modello in idrogel, pur offrendo una maggiore rilevanza biologica, richiede ulteriori ottimizzazioni per migliorarne la stabilità strutturale e la riproducibilità.