Sviluppo e test di un sistema organ-on-a-chip per studi sugli organoidi cerebrali

I sistemi “organ-on-a-chip” sono la nuova frontiera della medicina e della biotecnologia, guidando la ricerca verso una più facile comprensione della patogenesi dei disturbi e a test farmacologici più sicuri, il che eliminerebbe la necessità di test sugli animali e consentirebbe prescrizioni specifiche per il paziente e prognosi inequivocabili. Gli organoidi cerebrali sono alcuni dei sistemi organ-on-a-chip più interessanti e attualmente vengono coltivati ​​a partire da cellule staminali umane pluripotenti attraverso un processo di auto-assemblaggio, attentamente guidato per ottenere risultati omogenei. L'attuale stato dell'arte per i dispositivi di coltura cellulare consiste principalmente di semplici camere di coltura con un rocker system che simula l'ambiente cerebrale o di sistemi “air/interface” con una separazione parziale tra il liquido con i nutrienti e l'organoide, che è a sua volta a contatto con l'aria. La principale difficoltà riscontrata nei progetti più recenti è sempre la mancanza di vascolarizzazione stabilita all'interno dell'organoide, che nei cervelli vivi è la principale fonte di nutrienti e ossigeno, il che porta all'apoptosi a causa di nuclei necrotici e ipossia. Trovare un modo per aggirare questo problema è l'obiettivo principale della nostra tesi, che ci assicureremo di affrontare in modo approfondito e con diverse idee per la progettazione. Il lavoro di tesi inizierà con una serie di simulazioni in COMSOL Multiphysics®, partendo dall'analisi di un design simile a quelli trovati in letteratura e quindi introducendo la novità di un flusso all'interno dei serbatoi di nutrienti con la speranza di automatizzare la loro distribuzione. Si dimostrerà che questa soluzione supera notevolmente i design esistenti poiché stabilizza la concentrazione media di nutrienti nel tessuto nell'arco di uno o pochi giorni. Ciò garantisce una maggiore sopravvivenza dell'organoide e una minore interazione umana con il dispositivo stesso, con conseguenti minori possibilità di contaminazione e danneggiamento. Per testare queste simulazioni mostreremo come abbiamo tentato di fabbricare un dispositivo per sperimentare con organoidi reali, utilizzando l'ablazione laser per intagliare il canale inferiore e la stampa 3D per costruire la camera superiore. Dopo aver trovato le impostazioni corrette per entrambi i passaggi, eseguiremo alcuni test preliminari con dell’acqua colorata per prepararci al test sperimentale che avrà luogo presso la KU. Una volta eseguiti questi passaggi, il test ufficiali con gli organoidi vivi è stato impostato con una pompa a siringa e un incubatore e sarebbe dovuto durare due settimane, ma, come verrà rivelato, è stato interrotto dopo appena 2 giorni. La causa verrà studiata e ricercata e alla fine verrà individuato un difetto del pezzo stampato in 3D, che assorbirebbe la maggior parte del liquido inserito (se non tutto), causando perdite ai lati e traboccamento della camera principale. Questa scoperta è stata rilevante per caratterizzare il PLA in relazione con il nostro dispositivo, portandoci infine a fabbricarne un ultimo interamente in PMMA con ablazione laser, che ha funzionato perfettamente, almeno per quanto riguarda il comportamento microfluidico. Gli esperimenti di questo nuovo dispositivo con gli organoidi vivi sono lasciati alla ricerca futura; tuttavia, questo sembra un punto di partenza estremamente fecondo, in quanto molti dei processi e delle impostazioni di fabbricazione sono ormai noti e i risultati sono decisamente promettenti.