Design and development of microscale technologies and microfluidic platforms for the in vitro culture of stem cell

Le impellenti necessità legate allo sviluppo di nuovi farmaci e di terapie innovative per la cura di malattie dell’apparato muscolare, quali ad esempio la Distrofia Muscolare di Duchenne o l’infarto miocardico, hanno portato alla crescente domanda di nuovi metodi e tecnologie. E’ chiaro inoltre come le cellule staminali possano costituire una risorsa fondamentale per la generazione di tessuti umani artificiali da impiegare in tali processi. Tale prospettiva, richiederebbe da un lato strumenti sofisticati per il controllo e il differenziamento delle cellule staminali e dell’altro, l’integrazione di questi all’interno di procedure in grado di soddisfare i requisiti fondamentali dei modelli sui quali operare per lo sviluppo di nuovi farmaci o strategie terapeutiche. Tra i requisiti fondamentali da rispettare si citano quindi: micronizzazione, versatilità, basso costo e highthroughput. Obiettivo fondamentale di questa tesi sono stati la progettazione, sviluppo e fabbricazione di tecnologie su scala micrometrica in grado di riprodurre una stimolazione biomimetica ispirata al microambiente cellulare in vivo e, nello stesso tempo, di rispondere ai requisiti tecnologici descritti sopra. E’ stata effettuata un’analisi semi quantitativa basata sull’analisi dei tempi caratteristi dei fenomeni su microscala, che ha portato alla produzione di diagrammi operativi da impiegarsi nelle fasi di progettazione e sviluppo di tali strategie sperimentali. Sono stati sviluppati microbioreattori all’interno di piattaforme microfluidiche applicate poi allo studio di sistemi cellulari. In particolare, sono stati effettuati studi biologi sull’effetto di gradienti di concentrazione all’interno dell’importante signaling cellulare del Wnt. E’ stata realizzata una tecnica per l’organizzazione topologica su microscala di colture cellulari su substrati in hydrogel dalle proprietà meccaniche definite. Le tecnologie sviluppate sono state impiegate per casi studio dall’elevato valore scientifico e sono state interfacciate con colture di particolare interesse quali mioblasti umani distrofici e cellule cardiache derivate da staminali embrionali umane. Infine, è stato proposto un prototipo di piattaforma microfluidica in grado di accoppiare le stimolazioni di tipo topologico al controllo dell’ambiente solubile su colture cellulari. I risultati ottenuti aprono nuove ed interessanti prospettive sia per lo sviluppo di nuovi farmaci che di strategie terapeutiche volti alla cura di patologie ed allo studio approfondito della complessità dei sistemi biologici.