Mikrofluidni model žilnega endotelija na čipu za kvantitativno spremljanje s peroksilnimi radikali povzročene endotelijske disfunkcije in antioksidativnega delovanja izbranih spojin

Krebs, Črt (author), Žiberna, Lovro (mentor), Kirbus, Klemen (comentor)

Oksidativni stres je stanje porušenega ravnovesja med oksidanti in antioksidanti, pri katerem prevladuje nastajanje oksidantov. Tovrstno neravnovesje lahko sproži proces lipidne peroksidacije, ki vodi do nastanka lipidnih hidroperoksidov. Ti nastanejo z verižno reakcijo peroksilnih radikalov in lahko pomembno prispevajo k razvoju endotelijske disfunkcije. Endotelij predstavlja celični monosloj, ki ima ključno vlogo pri ohranjanju žilnega tonusa ter uravnavanju hemostaze in vnetja. Za raziskovalne namene ga lahko posnemamo s tehnologijo organov na čipu, ki omogoča gojenje celic v mikrofluidnem sistemu pod vplivom strižnih sil, s čimer se približamo pogojem in vivo. Namen naše raziskave je bil preučiti vpliv oksidativnega stresa, induciranega s peroksilnimi radikali, na človeške endotelijske celice EA.hy926 v statičnih in pretočnih pogojih. Kot vir peroksilnih radikalov smo uporabili 2,2'-azobis(2-metil-propionamidinijev) diklorid, s katerim smo v statičnih in pretočnih pogojih z resazurinskim testom določili koncentracijo, ki povzroči 50-odstotno znižanje celične viabilnosti (vrednost IC50). Potrdili smo koncentracijsko ter časovno odvisnost med oksidativnim stresom in celično viabilnostjo. V nadaljevanju smo na mikrotitrskih ploščicah ovrednotili antioksidativne učinke kvercetina, vitamina E, vitamina C in troloksa (sintezni analog vitamina E). Kvercetin je izboljšal celično viabilnost že pri najnižjih uporabljenih koncentracijah, zato smo ga vključili v testiranje na mikrofluidnem modelu endotelija na čipu. Na modelu endotelija na čipu smo uporabili dva protokola: (i) sočasni dodatek kvercetina in vir peroksilnih radikalov ter (ii) predhodno inkubacijo celic s kvercetinom, ki ji je sledila izpostavitev peroksilnemu oksidativnemu stresu. Prvi pristop je pokazal šibko zaščitno delovanje kvercetina, medtem ko je drugi statistično značilno izboljšal celično viabilnost v primerjavi s kontrolnim poskusom. Naši rezultati potrjujejo, da vzpostavljen mikrofluidni sistem endotelija na čipu predstavlja ustrezen in fiziološko relevanten model za kvantitativno spremljanje oksidativnega stresa ter vrednotenje zaščitnega učinka antioksidantov na človeških endotelijskih celicah.

• Language: Slovenian
• Keywords: endotelij na čipu, endotelijska disfunkcija, oksidativni stres na čipu, antioksidanti, kvercetin
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FFA - Faculty of Pharmacy
• Year: 2025
• PID: 20.500.12556/RUL-172035
• Publication date in RUL: 05.09.2025

Secondary language

• Language: English
• Title: Microfluidic model of vascular endothelium-on-a-chip for quantitative monitoring of peroxyl radical-induced endothelial dysfunction and the antioxidant activity of selected compounds

Abstract

Oxidative stress is a state of disrupted balance between oxidants and antioxidants, in which the production of oxidants predominates. Such an imbalance can trigger lipid peroxidation, leading to the formation of lipid hydroperoxides. These are generated through a chain reaction of peroxyl radicals and can significantly contribute to the development of endothelial dysfunction. The endothelium is a cellular monolayer that plays a key role in maintaining vascular tone and regulating hemostasis and inflammation. For research purposes, it can be mimicked using organ-on-a-chip technology, which enables cell culture within a microfluidic system under shear stress, thereby better approximating in vivo conditions. The aim of our study was to investigate the effect of oxidative stress induced by peroxyl radicals on human endothelial EA.hy926 cells under static and flow conditions. As a source of peroxyl radicals, we used 2,2'-azobis(2-methyl-propionamidine) dihydrochloride. In static conditions on microtiter plates and under flow conditions on the chip, we used the resazurin assay to determine the concentration that causes a 50% reduction in cell viability (IC50 value) and confirmed the concentration- and time-dependence of the relationship between oxidative stress and cell viability. Furthermore, we evaluated the antioxidant effects of quercetin, vitamin E, vitamin C, and Trolox (a synthetic analog of vitamin E) on microtiter plates. Quercetin exhibited protective activity already at the lowest concentrations tested, which is why it was selected for testing on the microfluidic endothelium-on-a-chip model. Two experimental protocols were employed on the endothelium-on-a-chip model: (i) simultaneous addition of quercetin and peroxyl radicals, and (ii) pre-incubation of cells with quercetin followed by peroxyl oxidative stress. The first approach showed only weak protective activity, whereas the second significantly improved cell viability compared with the control experiment. Our results confirm that the established microfluidic endothelium-on-a-chip system represents a suitable and physiologically relevant model for quantitative monitoring of oxidative stress and for evaluating the protective effects of antioxidants on human endothelial cells.

• Keywords: endothelium-on-a-chip, endothelial dysfunction, oxidative stress-on-a-chip, antioxidants, quercetin