Development of a splenic chip model for RBC mechanical Properties Evaluation

Abstract

[eng] The spleen plays a critical role in immune defense and red blood cell (RBC) filtration, yet ethical and technical barriers limit in vivo studies, particularly for disorders like sickle cell disease (SCD). This thesis addresses these challenges by developing a biomimetic spleen-on-a-chip platform to replicate splenic microarchitecture, RBC deformability, and macrophage interactions under controlled oxygen conditions. The hypothesis shows that a microfluidic device with narrow interendothelial slits (1.5 µm) and rounded channels (50-139 µm height) can mimic splenic filtration, revealing hypoxia-induced RBC rigidity in SCD and enabling phagocytosis assays. Objectives include designing and fabricating the device using novel hybrid lithography, preparing RBCs and macrophages, and validating RBC biomechanics under normoxia (150 mmHg PO₂) and hypoxia (14-36 mmHg PO₂). Methods involved iterative microfabrication (standard, two-layer, backside, and hybrid lithography), RBC isolation from healthy and SCD donors, monocyte differentiation into M1/M2 macrophages, and analysis via ImageJ, TrackMate, and flow cytometry. Results demonstrated successful fabrication of Hess-Murray-compliant channels with high-fidelity slits, showing healthy RBCs maintained deformability (transit time: 0.0042-0.0060 s, shear modulus: 14.6-20.8 µN/m) while SCD RBCs exhibited sickling, increased transit times (0.0082-0.0154 s) under hypoxia. Macrophages phagocytosed SCD RBCs, validating immune clearance. This platform advances organ-on-a-chip technology, offering insights into SCD pathophysiology and potential for drug screening, bridging gaps in traditional models.

[spa] El bazo desempeña un papel crítico en la defensa inmunológica y la filtración de glóbulos rojos (RBC, por sus siglas en inglés), sin embargo, barreras éticas y técnicas limitan los estudios in vivo, particularmente para trastornos como la enfermedad de células falciformes (SCD, por sus siglas en inglés). Esta tesis aborda estos desafíos desarrollando una plataforma biomimética de bazo-en-un-chip para replicar la microarquitectura esplénica, la deformabilidad de los RBC y las interacciones con macrófagos bajo condiciones de oxígeno controladas. La hipótesis muestra que un dispositivo microfluídico con rendijas interendoteliales estrechas (1,5 µm) y canales redondeados (altura de 50-139 µm) puede imitar la filtración esplénica, revelando la rigidez de los RBC inducida por hipoxia en la SCD y permitiendo ensayos de fagocitosis. Los objetivos incluyen diseñar y fabricar el dispositivo utilizando litografía híbrida novedosa, preparar RBC y macrófagos, y validar la biomecánica de los RBC bajo normoxia (150 mmHg PO₂) e hipoxia (14-36 mmHg PO₂). Los métodos involucraron microfabricación iterativa (litografía estándar, de dos capas, trasera y híbrida), aislamiento de glóbulos rojos (RBC) de donantes sanos y con SCD, diferenciación de monocitos en macrófagos M1/M2, y análisis mediante ImageJ, TrackMate y citometría de flujo. Los resultados demostraron la fabricación exitosa de canales compatibles con Hess-Murray con ranuras de alta fidelidad, mostrando que los RBC sanos mantenían la deformabilidad (tiempo de tránsito: 0.0042-0.0060 s, módulo de cizallamiento: 14.6-20.8 µN/m) mientras que los RBC con SCD exhibían envaramiento, tiempos de tránsito aumentados (0.0082-0.0154 s) bajo hipoxia. Los macrófagos fagocitaron los RBC con SCD, validando la depuración inmune. Esta plataforma avanza la tecnología de órganos en un chip, ofreciendo perspectivas sobre la fisiopatología de la SCD y el potencial para la selección de fármacos, puenteando las brechas en los modelos tradicionales.

[cat] La melsa juga un paper crític en la defensa immune i la filtració de glòbuls vermells (RBC), però les barreres ètiques i tècniques limiten els estudis in vivo, particularment per a trastorns com la malaltia de cèl·lules falciformes (SCD). Aquesta tesi aborda aquests reptes desenvolupant una plataforma biomimètica de melsa-en-un-chip per replicar la microarquitectura esplènica, la deformabilitat dels RBC i les interaccions amb macròfags sota condicions d'oxigen controlades. La hipòtesi mostra que un dispositiu microfluídic amb escletxes interendotelials estretes (1.5 µm) i canals arrodonits (50-139 µm d'altura) pot imitar la filtració esplènica, revelant la rigidesa induïda per hipòxia en els RBC de SCD i habilitant assajos de fagocitosi. Els objectius inclouen dissenyar i fabricar el dispositiu utilitzant litografia híbrida innovadora, preparar RBC i macròfags, i validar la biomecànica dels RBC sota normòxia (150 mmHg PO₂) i hipòxia (14-36 mmHg PO₂). Els mètodes van involucrar microfabricació iterativa (litografia estàndard, de dues capes, posterior i híbrida), aïllament de RBC de donants sans i amb SCD, diferenciació de monòcits en macròfags M1/M2, i anàlisi mitjançant ImageJ, TrackMate i citometria de flux. Els resultats van demostrar la fabricació exitosa de canals compatibles amb Hess-Murray amb escletxes d'alta fidelitat, mostrant que els RBC sans mantenien la deformabilitat (temps de trànsit: 0.0042-0.0060 s, mòdul de cisallament: 14.6-20.8 µN/m) mentre que els RBC amb SCD exhibien deformació permanent, temps de trànsit augmentats (0.0082-0.0154 s) sota hipòxia. Els macròfags van fagocitar els RBC amb SCD, validant la depuració immune. Aquesta plataforma avança la tecnologia d'òrgan-en-un-chip, oferint perspectives sobre la fisiopatologia de SCD i potencial per al cribratge de fàrmacs, tancant buits en models tradicionals.