Microfluidic characterization of shear-mediated platelet activation toward data-driven prediction of device thrombogenicity

Shear-mediated platelet activation (SMPA) plays a central role in thrombus formation and represents a major challenge in the design and optimization of mechanical circulatory support (MCS) devices. Understanding the relationship between platelet activation and device-specific hemodynamic conditions is essential for improving device hemocompatibility and for supporting the future development of predictive approaches for thrombogenicity assessment. This study pursued a twofold objective. First, to identify an experimental perfusion strategy capable of minimizing circuit-induced platelet activation, thereby enabling a reliable assessment of platelet responses under controlled microfluidic conditions. Second, to investigate the effects of shear stress (SS), temporal shear stress variation (SR), and stress accumulation (SA) on platelet activation through a microfluidic experimental framework designed to generate quantitative data for the future development of data-driven models for predicting device thrombogenicity. Two perfusion systems—a Hamilton PSD/8 back-and-forth syringe pump and a closed- loop peristaltic roller pump—were initially compared. Whole blood samples were subsequently stimulated within microfluidic platforms specifically designed to reproduce controlled combinations of SS, SR, and SA representative of clinically relevant hemodynamic conditions. Platelet activation was assessed by flow cytometry through the analysis of Annexin V and P-selectin expression, selected as markers of procoagulant and secretory platelet phenotypes, respectively. The comparison between the two perfusion systems demonstrated that blood recirculation through the circuit itself induces measurable platelet activation, with the roller pump generating higher activation levels than the back-and-forth configuration. Consequently, the Hamilton PSD/8 system was selected for all subsequent experiments. Increasing levels of SS and SA were associated with a progressive increase in Annexin V expression, whereas P-selectin expression tended to decrease under more intense mechanical stimulation. In contrast, SR exhibited a less pronounced effect on platelet activation under the investigated experimental conditions. Overall, these findings suggest that platelet responses to mechanical stimulation are heterogeneous and depend on both the intensity and cumulative duration of hemodynamic loading. The microfluidic framework developed in this study enables the systematic investigation of SMPA under controlled hemodynamic conditions and establishes an experimental methodology for generating quantitative platelet activation data across different combinations of SS, SR, and SA. In the long term, this approach may support the development of data-driven predictive models capable of estimating platelet activation and device thrombogenicity directly from device-specific hemodynamic conditions, contributing to a more rapid and scalable assessment of cardiovascular device designs.

L’attivazione piastrinica mediata dallo shear stress (Shear-Mediated Platelet Activation, SMPA) svolge un ruolo centrale nella formazione del trombo e rappresenta una delle principali sfide nella progettazione e nell’ottimizzazione dei dispositivi cardiovascolari (Mechanical Circulatory Support devices, MCS). Comprendere la relazione tra l’attivazione piastrinica e le condizioni emodinamiche generate da tali dispositivi è fondamentale per migliorare l’emocompatibilità degli stessi e per favorire lo sviluppo futuro di approcci predittivi per la valutazione della loro trombogenicità. Questo studio ha avuto due obiettivi principali. Il primo è stato quello di identificare un sistema di perfusione che minimizzi l’attivazione indotta dal circuito, dunque permettendo di analizzare la risposta piastrinica determinata esclusivamente da stimolazioni microfluidiche. Il secondo è stato quello di investigare gli effetti dello shear stress (SS), della variazione temporale dello shear stress (SR) e dell’accumulo di shear stress (SA) sull’attivazione piastrinica in condizioni microfluidiche controllate. Sono stati inizialmente confrontati due sistemi di perfusione: una pompa a siringa Hamilton PSD/8 operante in modalità back-and-forth e una pompa peristaltica roller in circuito chiuso. Successivamente, campioni di sangue intero sono stati sottoposti a stimolazione all’interno di piattaforme microfluidiche appositamente progettate per riprodurre combinazioni controllate di SS, SR e SA rappresentative di condizioni emodinamiche clinicamente rilevanti. La risposta piastrinica è stata valutata mediante citofluorimetria attraverso l’analisi dell’espressione di Annexin V e P-selectina, selezionate rispettivamente come marcatori del fenotipo procoagulante e secretorio. Il confronto tra i due sistemi di perfusione ha dimostrato che il ricircolo del sangue all’interno del circuito induce di per sé una risposta piastrinica misurabile, con la pompa roller associata a livelli di attivazione superiori rispetto alla configurazione back-and-forth. Di conseguenza, il sistema Hamilton PSD/8 è stato selezionato per tutti gli esperimenti successivi. L’aumento dei livelli di SS e SA è risultato associato a un incremento progressivo dell’espressione di Annexin V, mentre l’espressione di P-selectina ha mostrato un trend di diminuzione in presenza di stimolazioni meccaniche più intense. Al contrario, l’SR ha evidenziato un effetto meno pronunciato sull’attivazione piastrinica nelle condizioni sperimentali investigate. Nel complesso, questi risultati suggeriscono che la risposta piastrinica alla stimolazione meccanica è eterogenea e dipende sia dall’intensità sia dalla durata cumulativa del carico emodinamico. La piattaforma microfluidica sviluppata nel presente studio consente di investigare in modo sistematico la SMPA in condizioni controllate e costituisce una metodologia sperimentale per la generazione di dati quantitativi relativi a differenti combinazioni di SS, SR e SA. Nel lungo termine, questo approccio potrà supportare lo sviluppo di modelli predittivi data-driven in grado di stimare l’attivazione piastrinica e la trombogenicità dei dispositivi MCS direttamente a partire dalle condizioni emodinamiche specifiche del dispositivo, contribuendo a una valutazione più rapida e scalabile dei dispositivi cardiovascolari.