Studio di Fattibilità per il Monitoraggio in Tempo Reale delle Colture Cellulari in Bioreattore tramite Analisi di Impedenza = Feasibility Study for Real-Time Monitoring of Cell Cultures in Bioreactor by Impedance Analysis

Le cellule di mammifero, in vivo, crescono in ambienti tridimensionali (3D) complessi, dove la forma e la composizione chimica della matrice extracellulare (ECM) influenzano profondamente le loro risposte fisiologiche. Tradizionalmente, le tecniche di coltura cellulare sono eseguite su superfici bidimensionali (2D), solitamente in vetro o polistirene. Sebbene la coltura 2D sia accessibile e conveniente, è ben documentato che gli studi su cellule 2D possono produrre artefatti significativi. Per questo motivo, sono stati sviluppati metodi avanzati per la coltura cellulare in ambienti 3D in vitro. Un approccio consolidato per la coltura cellulare 3D consiste nell'utilizzare scaffold, tipicamente composti da biopolimeri, per imitare l'ECM fisiologica. Attualmente, il controllo del processo di differenziazione delle cellule mesenchimali in cellule ossee all'interno di un bioreattore richiede l’apertura del bioreattore, interrompendo la coltura cellulare. Il presente studio di fattibilità propone l'uso della misurazione dell'impedenza come metodo non invasivo per monitorare in tempo reale la differenziazione cellulare all'interno del bioreattore. Nella fase iniziale sono state eseguite misure di conducibilità in diversi tipi di acqua (distillata, di rubinetto e salina) utilizzando un holder in PDMS con elettrodi a piastre. In seguito, è stato implementato un sistema di acquisizione collegato all’ impedenzimetro Keysight Technologies e4990A per effettuare misure di impedenza continue (24 ore) in un piccolo volume di acqua.. Sono state poi estese le misure a una tanica d'acqua di rubinetto, integrando una termocoppia per correlare la variazione di impedenza con la temperatura dell'acqua, sia in condizioni statiche che dinamiche mediante agitazione con stirrer. I risultati hanno confermato che la conducibilità dell'acqua di rubinetto è maggiore rispetto a quella distillata e che l'impedenza aumenta in condizioni di movimento. Infine, le misure sono state condotte in un bioreattore a perfusione con pompa peristaltica impostata con una portata di 0.3 microlitri al minuto per 72 ore, utilizzando uno scaffold in PLA in acqua di rubinetto. I risultati preliminari suggeriscono che questo setup è promettente per il monitoraggio in tempo reale della crescita cellulare. Il passo successivo sarà l'integrazione dell'elettronica all'interno del bioreattore, che permetterà un monitoraggio continuo e automatizzato dei parametri di crescita cellulare senza interrompere il processo. Inoltre, sarà utilizzato un mezzo di coltura specifico per la differenziazione delle cellule mesenchimali in cellule ossee, ottimizzato per supportare la vitalità e la funzionalità delle cellule nel lungo periodo. Questi sviluppi mirano a migliorare la precisione e l'efficacia del monitoraggio, riducendo al minimo le interferenze e aumentando il rendimento del bioprocesso. Questo studio dimostra la fattibilità della misurazione dell'impedenza come metodo non invasivo per il monitoraggio in tempo reale della differenziazione cellulare nei bioreattori, aprendo nuove prospettive per l'ottimizzazione dei bioprocessi nella medicina rigenerativa.