Ventricular assist devices (VADs), the most prominent solution for the treatment of heart failure (HF), are still burdened with several post-implant complications, such as pump failure, infections or thrombotic events. Among these, the latter are largely due to the interaction between VADs and blood, requiring a challenging integration of technical, clinical and biological expertises to be solved. Increased shear stresses are a hallmark of the flow conditions in blood recirculating devices, and patients implanted with such devices require lifelong anti-thrombotic therapies to counteract the high risk of thromboembolism. Although antiplatelet agents have proven their effectiveness as biochemical inhibitors of platelet activation, their behavior under shear stress, i.e. in response to physical forces encountered when the blood flows through VADs, has been only marginally investigated. In the present dissertation, cutting-edge bioengineering techniques are employed to investigate the ability of pharmacological treatments to reduce VADs thrombogenicity after exposure to complex dynamic shear stress profiles. Our studies involve a methodology, developed in the last decade, which integrate complex numerical and experimental approaches in silico and in vitro, allowing a comprehensive investigation of device-related platelet activation. Platelet activity state in such conditions was monitored using a specific prothrombinase assay, the PAS assay. Different antiplatelet drugs that are commonly administered to VADs patients were tested, both individually and in combination, and quantitatively compared. Results suggest that such drugs are only partially able to protect platelets from the activation effects exerted by physical forces acting within cardiac assist devices. New mechanisms of action were also studied as possible future solutions to overcome the limitations associated with current therapies. Our studies indicate that a paradigm shift is required in the development of new antiplatelet drugs for the treatment of shear-mediated platelet activation. In particular, the discovery of new agents able to affect platelet membrane fluidity might reduce the need for high-impact antithrombotic therapies, offering an effective protection to platelets when exposed to high shear stress conditions.

I sistemi di supporto meccanico alla circolazione (MCS) sono sempre più uno strumento fondamentale nel trattamento dello scompenso cardiaco congestizio. Nonostante la loro efficacia, i dispositivi di assistenza ventricolare (VAD) rimangono afflitti da numerose limitazioni post-impianto come la formazione di trombi all’interno della pompa ed altre complicanze. L’elevata incidenza di tali eventi avversi è legata essenzialmente alle condizioni fluidodinamiche alle quali è sottoposto il sangue costretto a circolare all’interno dei dispositivi. In particolare le piastrine sono spesso sottoposte a sforzi di taglio elevati e prolungati tempi di esposizione in condizioni fluidodinamiche non fisiologiche. Tutto ciò può favorire inizialmente l’attivazione piastrinica, per poi infine causarne l’aggregazione e la formazione di trombi. L’obiettivo della tesi mira allo studio in vitro ed in vivo su animale della trombogenicità di dispositivi di assistenza cardiaca nel tentativo di individuare soluzioni innovative per la riduzione delle complicanze che possono causare la failure post-impianto dei VAD. La campagna sperimentale in vitro ha permesso di investigare l’interazione tra campioni piastrinici umani e farmaci antipiastrinici utilizzati quotidianamente in clinica. Lo stato di attivazione piastrinico è stato monitorizzato mediante il Platelet Activity State (PAS) assay. Il metodo di indagine utilizzato si è dimostrato estremamente versatile ed ha permesso l’ottenimento di risultati apprezzabili. Lo studio ha permesso l’individuazione di soluzioni farmacologiche che forniscono una maggiore protezione delle piastrine dalle stimolazioni sperimentate all’interno dei dispositivi ed ha dato indicazioni importanti circa possibili terapie da mettere in atto per limitare l’insorgenza di eventi tromboembolici post-impianto.

Multi-perspective investigation of the effectiveness of anti-thrombotic treatments in association with shear-mediated platelet activation

VALERIO, LORENZO

Abstract

Ventricular assist devices (VADs), the most prominent solution for the treatment of heart failure (HF), are still burdened with several post-implant complications, such as pump failure, infections or thrombotic events. Among these, the latter are largely due to the interaction between VADs and blood, requiring a challenging integration of technical, clinical and biological expertises to be solved. Increased shear stresses are a hallmark of the flow conditions in blood recirculating devices, and patients implanted with such devices require lifelong anti-thrombotic therapies to counteract the high risk of thromboembolism. Although antiplatelet agents have proven their effectiveness as biochemical inhibitors of platelet activation, their behavior under shear stress, i.e. in response to physical forces encountered when the blood flows through VADs, has been only marginally investigated. In the present dissertation, cutting-edge bioengineering techniques are employed to investigate the ability of pharmacological treatments to reduce VADs thrombogenicity after exposure to complex dynamic shear stress profiles. Our studies involve a methodology, developed in the last decade, which integrate complex numerical and experimental approaches in silico and in vitro, allowing a comprehensive investigation of device-related platelet activation. Platelet activity state in such conditions was monitored using a specific prothrombinase assay, the PAS assay. Different antiplatelet drugs that are commonly administered to VADs patients were tested, both individually and in combination, and quantitatively compared. Results suggest that such drugs are only partially able to protect platelets from the activation effects exerted by physical forces acting within cardiac assist devices. New mechanisms of action were also studied as possible future solutions to overcome the limitations associated with current therapies. Our studies indicate that a paradigm shift is required in the development of new antiplatelet drugs for the treatment of shear-mediated platelet activation. In particular, the discovery of new agents able to affect platelet membrane fluidity might reduce the need for high-impact antithrombotic therapies, offering an effective protection to platelets when exposed to high shear stress conditions.
ALIVERTI, ANDREA
TANZI, MARIA CRISTINA
FIORE, GIANFRANCO BENIAMINO
11-dic-2014
I sistemi di supporto meccanico alla circolazione (MCS) sono sempre più uno strumento fondamentale nel trattamento dello scompenso cardiaco congestizio. Nonostante la loro efficacia, i dispositivi di assistenza ventricolare (VAD) rimangono afflitti da numerose limitazioni post-impianto come la formazione di trombi all’interno della pompa ed altre complicanze. L’elevata incidenza di tali eventi avversi è legata essenzialmente alle condizioni fluidodinamiche alle quali è sottoposto il sangue costretto a circolare all’interno dei dispositivi. In particolare le piastrine sono spesso sottoposte a sforzi di taglio elevati e prolungati tempi di esposizione in condizioni fluidodinamiche non fisiologiche. Tutto ciò può favorire inizialmente l’attivazione piastrinica, per poi infine causarne l’aggregazione e la formazione di trombi. L’obiettivo della tesi mira allo studio in vitro ed in vivo su animale della trombogenicità di dispositivi di assistenza cardiaca nel tentativo di individuare soluzioni innovative per la riduzione delle complicanze che possono causare la failure post-impianto dei VAD. La campagna sperimentale in vitro ha permesso di investigare l’interazione tra campioni piastrinici umani e farmaci antipiastrinici utilizzati quotidianamente in clinica. Lo stato di attivazione piastrinico è stato monitorizzato mediante il Platelet Activity State (PAS) assay. Il metodo di indagine utilizzato si è dimostrato estremamente versatile ed ha permesso l’ottenimento di risultati apprezzabili. Lo studio ha permesso l’individuazione di soluzioni farmacologiche che forniscono una maggiore protezione delle piastrine dalle stimolazioni sperimentate all’interno dei dispositivi ed ha dato indicazioni importanti circa possibili terapie da mettere in atto per limitare l’insorgenza di eventi tromboembolici post-impianto.
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