Realizzazione di un modello di barriera alveolo-capillare che simula il movimento respiratorio tramite l'implementazione di un sistema di attuazione meccanica = Realization of an alveolar-capillary barrier model simulating the respiratory motion through the implementation of a mechanical actuation system

La barriera alveolo-capillare è una sottile membrana localizzata a livello terminale degli alveoli polmonari, in cui il tessuto dell’epitelio ed endotelio polmonare entrano in intimo contatto, creando una superficie di scambio gassoso tra sistema circolatorio ed aria. In particolare, lo scambio di ossigeno e anidride carbonica avviene per gradiente di concentrazione grazie alla permeabilità ai gas della barriera. Il tessuto polmonare, entrando in contatto diretto con l’aria esterna, è potenzialmente bersaglio di molti agenti esterni dannosi, come micro e nano particelle o agenti patogeni che possono portare allo sviluppo di diverse patologie, come il cancro polmonare o la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). Questo lavoro di tesi si pone il delicato compito di porre le basi per lo sviluppo di un modello di barriera alveolo-capillare all’interno di un bioreattore bicamerale, cercando di mimare il fenomeno della respirazione dinamica mediante la stimolazione con un sistema meccanico. La camera di coltura utilizzata è il bioreattore LiveBox2 (IVTech S.R.L., Lucca. Italia), con una membrana porosa fra le due camere, e collegato tramite un circuito fluidico ad una pompa peristaltica per imprimere la circolazione di liquido e mimare la circolazione sanguigna. Per mimare la condizione dinamica si è utilizzato il LivePa (IVTech S.R.L., Lucca. Italia), un attuatore meccanico in grado di esercitare una sovrapressione statica andando a comprimere il tubo di uscita da une delle due camere del LiveBox2. Nella prima parte della tesi si è calibrato il sistema, monitorando gli incrementi pressori nelle due camere del LiveBox2, comprimendo prima il tubicino d’uscita dalla camera basale e poi da quella apicale, montando nell’intermezzo delle due camere una membrana porosa commerciale in poli-etilene tereftalato (PET). La membrana è stata successivamente sostituita con una membrana biomimetica, ottenuta tramite la tecnica dell’electrospinning a partire da una soluzione di Poli-ε-Caprolattone (PCL)/Gelatina (GL) in rapporto 80:20. Dopo aver testato la stabilità della membrana all’interno del bioreattore, sono state confrontate le prestazioni in camera basale della membrana commerciale e della membrana biomimetica in PCL/GL. Dal confronto dei comportamenti delle due membrane si è potuto constatare che con quella commerciale in PET la pressione tendeva a crescere più rapidamente rispetto a quanto osservato con la nostra in PCL/GL. In entrambi i casi si è però notato che la pressione in camera aumentava seguendo una legge esponenziale all’aumentare dell’entità dell’ostruzione del tubo di uscita del bioreattore. Nell’ultima parte della tesi, sono stati eseguiti dei test cellulari in interfaccia liquido-liquido, per definire un protocollo per la semina delle diverse popolazioni cellulari nelle due camere del bioreattore. Infatti, i test cellulari sono stati condotti effettuando la co-coltura di cellule epiteliali polmonari umane A549 e cellule endoteliali umane HULEC-5a rispettivamente nella camera apicale e nella camera basale del LiveBox2. Tre diverse condizioni di coltura sono state testate e confrontate per evidenziare il contributo del singolo stimolo: statica, dinamica con solo flusso e dinamica con flusso ed ostruzione. Uno sviluppo futuro di questo sistema potrebbe essere il passaggio ad una coltura in interfaccia aria-liquido (ALI), al fine di mimare in maniera più fisiologica la barriera emato-gassosa.