Multiscale modeling of three-dimensional cell cultures for type 2 diabetes studies

Le forti necessità legate allo sviluppo di farmaci e terapie per malattie quali il diabete di tipo 2, hanno portato alla crescente domanda di nuove tecnologie e protocolli. Modelli in vitro sono estremamente utili per studi fisiologici e screening farmacologici; tuttavia questi sono dispendiosi e richiedono molto tempo. Un approccio teorico attraverso la modellazione matematica può facilitare lo studio della biologia del sistema e aiutare nella razionalizzazione degli esperimenti. Lo scopo di questa tesi è stato lo sviluppo di un approccio multi-scala e multi-disciplinare per modellare colture tridimensionali cellulari e di tessuto. L’applicazione finale ha previsto la razionalizzazione di un modello ex vivo di tessuto adiposo umano con lo scopo di caratterizzare le condizioni fisiopatologiche del diabete di tipo 2. Modelli matematici sono stati sviluppati per descrivere colture cellulari in sistemi dinamici, al fine di analizzare l’effetto di variabili macroscopiche sulle proprietà del micro-ambiente e quindi sull’evoluzione cellulare. Abbiamo investigato il ruolo delle condizioni sperimentali, come ad esempio la portata e la configurazione della camera di coltura, e testato l’efficienza di una gestione discontinua delle colture cellulari in piattaforme microfluidiche. Inoltre, nel caso di un bioreattore a perfusione per colture cellulari tridimensionali, abbiamo studiato l’effetto di condizioni di coltura eterogenee nel micro-ambiente cellulare (a causa dello scaffold poroso) sulla crescita cellulare. Il modello relaziona le variabili macroscopiche alle proprietà del micro-ambiente cellulare predicendo la crescita in funzione delle condizioni sperimentali e della distribuzione della dimensione dei pori dello scaffold. In aggiunta è stato analizzato l’effetto di fattori endogeni ed esogeni sui processi intra-cellulari. In particolare, abbiamo integrato il modello di trasporto di materia con il modello per il signaling dell’insulina, studiando l’influenza di questo ormone sul consumo cellulare di glucosio. Infine, è stato proposto un modello matematico per descrivere la coltura ex vivo di tessuto adiposo umano in una piattaforma microfluidica per assistere nella fase di progettazione e realizzazione della piattaforma stessa. Questo sistema è stato utilizzato per studiare la risposta del tessuto sottoposto ad uno stimolo di insulina e le condizioni fisiopatologiche del diabete di tipo 2. Questi risultati hanno interessanti risvolti applicativi per la progettazione di esperimenti e l’ottimizzazione delle condizioni di coltura, segnando un passo in avanti verso lo sviluppo di terapie e tests farmacologici.