Hydrogel-based microfluidic device to study the morphogenesis of the neural tube.

The neural tube is the precursor of the central nervous system and its formation is controlled by gradients of different proteins called morphogens. These molecules are secreted and mediate cell fate specification by regulating gene expression. Failure of neural tube formation leads to neural tube defects, which to date have no unified therapeutic strategies. The aim of this thesis is to perform targeted perturbations of morphogen gradients specifically in the neural tube of the chicken embryo, a tractable vertebrate model. To achieve this, a microfluidic device incorporating a photo-sensitive hydrogel is designed, fabricated and validated. Inside the hydrogel a microchannel is created through decrosslinking and its function is to allow a localized signal. Experiments are conducted to assess various chemical compounds for their potential to influence morphogen signals, either positively or negatively, by exposing whole mount embryos to them. By integrating live imaging with microfluidics, we perturb morphogen signalling in a reversible manner with high spatial and temporal resolution. This approach enables the acquisition of quantifiable readouts of these perturbations. Ultimately, this study will provide insights into neural tube morphogenesis and pave the way for experiments associating morphogen signalling with tissue mechanics.

Il tubo neurale è il precursore del sistema nervoso centrale e il suo sviluppo è controllato da gradienti di diverse proteine chiamate morfogeni. La secrezione di queste molecole regola l’espressione genica e quindi il destino di diversi tipi cellulari. Eventuali anomalie nella formazione del tubo neurale portano a dei difetti di esso che tuttora non hanno una efficace strategia terapeutica per la loro correzione. Lo scopo di questa tesi è quello di provocare delle perturbazioni in aree specifiche del tubo neurale agendo sui gradienti dei morfogeni. Per questo è stato usato l’embrione di pollo, un ben noto modello di studio dei vertebrati. A tale scopo, è stato prodotto e validato un dispositivo microfluidico a cui è stato aggiunto un idrogel fotosensibile al cui interno, mediante decrosslinking, è stato creato un microcanale che permette di avere un segnale localizzato. Dopodiché, sono stati eseguiti dei test con diversi agenti chimici che possono interferire (in positivo o in negativo) con i segnali dei morfogeni esponendo gli embrioni completamente alla loro azione. Integrando live imaging con la microfluidica, è possibile perturbare il “signalling” dei morfogeni con una precisa risoluzione spazio-temporale con la possibilità di ottenere dei riscontri quantificabili delle perturbazioni. Come risultato, otterremo una maggiore comprensione della morfogenesi del tubo neurale e questo permetterà ulteriori esperimenti dove sarà associato il signaling dei morfogeni con la meccanica dei tessuti.