Development of cell culture technology for the expansion of homogeneous populations of human stem cells

E' stato prospettato l'impiego di cellule staminali per terapie volte al mantenimento, alla rigenerazione o alla sostituzione di tessuti malfunzionanti. Tuttavia non sono ancora state risolte alcune limitazioni legate principalmente alla scarsa disponibilità di cellule staminali e ai problemi di sicurezza clinica connessi alla qualità cellulare. L'ottimizzazione del processo di espansione cellulare è un sfida ingegneristica, oltre che biologica. Scopo di questa tesi è lo sviluppo di una tecnologia sperimentale e di un quadro razionale che consenta di comprendere e controllare l'espansione di cellule staminali in vitro, sia considerando le proprietà medie che la loro distribuzione nella popolazione cellulare prodotta. E' stata realizzata un'analisi razionale dei principali fenomeni coinvolti nella coltura cellulare, ponendo in evidenza le fonti di eterogeneità sia nei sistemi di coltura convenzionali che nei bioreattori mescolati. Da un punto di vista sperimentale, sono stati progettati e sviluppati due tipi di bioreattori fino a realizzarne dei prototipi. Il primo, un sistema di bioreattori di volume dell'ordine dei microlitri, è stato progettato basato su un meccanismo di termoconvezione; questo apparato sperimentale è particolarmente adatto per un'ottimizzazione multiparametrica delle condizioni di coltura. Il secondo, un bioreattore in sospensione multipozzetto con un volume operativo di 10 ml/pozzetto, è stato pensato e costruito per un'ottimizzazione di processo meno dettagliata o, alternativamente, per una produzione su piccola scala di cellule staminali; una versione più avanzata è stata sviluppata per effettuare colture di cellule staminali in condizioni di ipossia. Entrambi i dispositivi sono stati vantaggiosamente utilizzati per coltivare cellule staminali ematopoietiche, ricavate da cordone ombelicale umano, che sono poi state caratterizzate secondo i metodi di analisi biologica convenzionali. Per ottimizzare razionalmente il processo di espansione delle cellule staminali, è stato sviluppato un modello computazionale, basato su un bilancio di popolazione, che tiene conto della distribuzione di recettori e di complessi recettore-ligando nel campione cellulare. Il modello descrive ragionevolmente l'eterogeneità intrinseca, intra- e intergenerazionale, derivante dal processo di divisione cellulare. Questi risultati possono dare un riscontro positivo in fase di progettazione degli esperimenti e di definizione delle condizioni operative a cui effettuare colture in bioreattore, al fine di minimizzare l'eterogeneità estrinseca e intrinseca della popolazione cellulare e di effettuare un ulteriore avanzamento verso un processo di espansione di cellule staminali umane clinicamente sicuro ed affidabile.