Development of a modular, versatile MicroPhysiological platform for compartmentalized, standardized and easily accessible cultures of tissue barriers

Drug discovery and development is a long, costly, and high-risk process that takes 10 - 12 years of R&D and over €2.5 billion on average for each new drug to be approved for clinical use. The overall process is highly inefficient: 9 out of 10 drugs that worked in preclinical models fail in clinical trials and only 10% of compounds considered in phase I clinical trials reach the market. A key unmet need is the lack of reliable preclinical models able to recapitulate the complexity of human physiology. Preclinical drug safety and efficacy are evaluated using (i) traditional in vitro cell cultures, and (ii) animal models. Traditional in vitro cell models don’t take into account complex interactions that would occur at the tissue/organ and demonstrated to be over-simplified and ineffective response predictors. On the other side, despite animal models provide the complexity of a living organism, the differences in the processing of drugs between animals and humans limits their reliability, introducing also strong ethical concerns. MicroPhysiological Systems (MPSs) are devices aiming at providing the basis for preclinical assays with greater predictive power with respect to traditional cell cultures, providing reliable in vitro models able to replicate key structures and functions of specific human tissues, using human-derived material. For this purpose, in the present PhD work, a sistematic, comparative analysis of the main MPS technologies has been provided, and several design requirements have been selected, enabling to identify key design parameters. Then, design, development, validation and scale up of a versatile, modular and plug&play platform, exploiting MPSs principles and rapid prototyping techniques have been carried out, aiming at replicating tissue barrier functions, enabling a fast integration in laboratory procedures. In this PhD project, three main development lines have been followed: i) Design, development and validation of an open-well static preparation module; ii) Design and prototyping of impedance biosensors to monitor cell growth and response to physiological alterations; iii) Design, development and validation of the closed-well dynamic perfusion module, in which the static one can be hosted without affecting the biological sample integrity. The results showed that the static preparation module is compatible with most of cell cultures approaches, enabling a customizable design and a simple retrieval of the biological material for further analysis. The impedance biosensor custom prototypes showed promising results, despite the need of standardize and validate the fabrication procedures. Finally, the dynamic perfusion modules have been technically validated. In perspective, upgrades regarding bubble formation and the complete biological validation are the next steps towards a fully validated, automatized and laboratory-compliant device.

Lo sviluppo di farmaci è un processo lungo, costoso e ad alto rischio che richiede 10-12 anni di ricerca e sviluppo e oltre 2,5 miliardi di euro in media per ogni nuovo farmaco immesso sul mercato. Il processo complessivo è altamente inefficiente: 9 farmaci su 10 falliscono negli studi clinici, nonostante i risultati positivi in fasi precliniche. Ad oggi, la mancanza di modelli preclinici affidabili in grado di ricapitolare la complessità della fisiologia umana è un problema aperto. La sicurezza e l'efficacia dei farmaci vengono valutate, in fase preclinica, utilizzando (i) modelli in vitro tradizionali e (ii) modelli animali. I modelli in vitro tradizionali non tengono conto delle interazioni complesse che si verificherebbero nel tessuto/organo e si sono dimostrati predittori di risposta eccessivamente semplificati e inefficaci. D'altra parte, nonostante i modelli animali forniscano la complessità di un organismo vivente, le differenze nella lavorazione dei farmaci tra animali ed esseri umani ne limitano l'affidabilità, introducendo anche forti preoccupazioni etiche. Per tali ragioni, mediante la combinazione di avanzamento tecnologico e biologia avanzata, un nuovo movimento volto alla creazione di sistemi in grado di replicare le funzioni base di organi target ha consentito la nascita di sistemi microfisiologici (MPS), ossia dispositivi che mirano a fornire la base per saggi preclinici con maggiore potere predittivo rispetto alle colture cellulari tradizionali, fornendo modelli in vitro affidabili in grado di replicare strutture e funzioni chiave di specifici tessuti umani, utilizzando materiale di derivazione umana. A tal fine, nel presente lavoro di dottorato, è stata fornita un'analisi sistematica e comparativa delle principali tecnologie MPS e sono stati selezionati diversi requisiti di progettazione, consentendo di identificare parametri chiave di progettazione. Quindi, sono stati eseguiti progettazione, sviluppo, validazione e scale up di una piattaforma versatile, modulare e plug&play, che sfrutta i principi MPS e le tecniche di prototipazione rapida, con l'obiettivo di replicare le funzioni di tessuto barriera, consentendo una rapida integrazione nelle procedure di laboratorio. In questo progetto di dottorato sono state seguite tre principali linee di sviluppo: i) progettazione, sviluppo e validazione di un modulo di preparazione statica a pozzetto aperto; ii) Progettazione e prototipazione di biosensori di impedenza per monitorare la crescita e la risposta cellulare ad alterazioni fisiologiche; iii) Progettazione, sviluppo e validazione del modulo di perfusione dinamica a pozzetto chiuso, in cui il modulo statico può essere ospitato senza compromettere l'integrità del campione biologico. I risultati hanno mostrato che il modulo di preparazione statica è compatibile con la maggior parte degli approcci di colture cellulari, consentendo un design personalizzabile e un semplice recupero del materiale biologico per ulteriori analisi. I prototipi personalizzati del biosensore di impedenza hanno mostrato risultati promettenti, nonostante la necessità di standardizzare e convalidare le procedure di fabbricazione. Infine, i moduli di perfusione dinamica sono stati validati tecnicamente. In prospettiva, la formazione di bolle all'interno dei moduli a perfusione e la completa validazione biologica sono i prossimi passi verso un dispositivo completamente validato, automatizzato e conforme alle procedure standard di laboratorio, garantendo risultati più affidabili e meno utilizzatore/laboratorio dipendenti.