Development of a novel in vitro system for biomedical applications

The use of animals in science and medicine research has significantly benefited human beings. Although their physiology does not identically mimic the human body, they act as perfect “models” for studying human diseases and developing potential new drugs and medical treatments. However, according to the U.S. Food and Drug Administration (FDA), just 8% of drugs tested on animals are considered safe and effective for human use, 92% are not. These extremely high failure rates together with dramatically rising costs in drug development have led many researchers to re-evaluate the value of animal studies. Because of that, over the past three decades, scientists worked hard for finding valid alternatives to in vivo animal testing that could be more effective, more reliable, and more humane. The development and use of in vitro models, which involve the growth of cells outside the body in a closed and controlled environment, quickly became a very popular alternative to animal experiments in pharmaceutical and biomedical research. Among the variety of in vitro approaches studied during the years, 3D in vitro cell culture was proposed by Regenerative medicine and Tissue engineering as a crucial and essential step for bridging the gap between the in vitro and in vivo outcomes in pre-clinical testing. Particularly, dynamic cell culture using bioreactors was considered a good intermediate step between the conventional in vitro static approach and in vivo animal studies. The design of a bioreactor should be inspired by observations of the native environment trying to reproduce the numerous and complex stimuli on cell behaviour in a controlled and scalable way. All these aspects still make the design and operation of bioreactors a big challenge for bioengineers. In the meantime, Nanotechnology and nanomaterials came into play helping and improving the life sciences with the manipulation of matter over the scale of a nanometer. The subsequent implementation of nanotechnology in biology and medicine fields showed an enormous positive impact on human health. Nanobiotechnology held enormous potential for healthcare, by using nanoparticles as new probes for bioimaging, potential biosensors and vehicles for delivering drugs more effectively in cellular systems, and in vitro diagnosing diseases more rapidly and sensitively. This study is focused on the design and development of an advanced dual-flow perfusion bioreactor, in which an efficient and tunable radial flow perfusion is applied to enable the diffusion of nano-systems through micro-porous polymeric matrices. At the same time, the proposed work presents a wide investigation concerning the synthesis of “ad hoc” polymeric structures for achieving the most performant 3D in vitro model for cell culture, together with the production of powerful and versatile nanoparticles useful for multiple applications as probes for bioimaging or vectors for drug delivery. With the combination of micro- and nano-structures in a controlled environment, the bioreactor is suggested here as a potential in vitro apparatus for new drug pre-screening testing and for studying new human therapies with less cost/time consuming and less ethical concerns compared to in vivo animal models.

Nella ricerca scientifica e medica, l'uso degli animali ha apportato notevoli benefici all’uomo. Sebbene la loro fisiologia non imiti perfettamente il corpo umano, essi agiscono come perfetti "modelli" per lo studio delle malattie umane e lo sviluppo di nuovi farmaci e trattamenti. Tuttavia, secondo la Food and Drug Administration (FDA), solo l'8% dei farmaci testati sugli animali è considerato sicuro ed efficace per l'uso sull’essere umano, il 92% non lo è. Questi tassi di fallimento estremamente elevati nello sviluppo di farmaci, insieme ai costi in forte aumento, hanno portato molti ricercatori a rivalutare il valore degli studi in vivo sugli animali. Questo è stato il motivo per cui, negli ultimi tre decenni, gli scienziati hanno lavorato duramente per trovare valide alternative alla sperimentazione animale in vivo, che potessero essere più efficaci, più affidabili e più umane. Lo sviluppo e l'uso di modelli in vitro sono diventati rapidamente un'alternativa molto popolare agli esperimenti sugli animali nella ricerca farmaceutica e biomedica. Essi coinvolgono la crescita di cellule al di fuori del corpo (umano o animale) in un ambiente chiuso e controllato. Tra i diversi tipi di approcci in vitro studiati nel corso degli anni, la medicina rigenerativa e l'ingegneria dei tessuti hanno proposto la coltura cellulare 3D come un passaggio cruciale per colmare il divario tra i risultati in vitro e in vivo nei test preclinici. In particolare, la coltura cellulare in ambiente dinamico, attraverso l’utilizzo di bioreattori, è stata considerata un valido passaggio intermedio tra l'approccio statico convenzionale in vitro e gli studi sugli animali in vivo. La progettazione di un bioreattore dovrebbe ispirarsi alle osservazioni dell'ambiente nativo, cercando di riprodurre i numerosi e complessi stimoli che agiscono a livello cellulare, in modo controllato e modulabile. Tutti questi aspetti rendono ancora oggi lo sviluppo e l’utilizzo dei bioreattori una grande sfida per i bioingegneri. Nel mondo della ricerca, nel frattempo, hanno fatto la loro comparsa le nanotecnologie e i nanomateriali, aiutando e migliorando le scienze attraverso la manipolazione della materia su scala nanometrica. L’implementazione della nanotecnologia nei campi della biologia e della medicina ha avuto un impatto positivo sulla salute umana. La nanobiotecnologia possiede un enorme potenziale per le scienze mediche, grazie all’utilizzo di nanoparticelle come nuove sonde per il “bioimaging”, come potenziali biosensori e mezzi per la somministrazione di farmaci in modo più efficace a livello cellulare, e infine per diagnosticare le malattie in vitro in modo più rapido e sensibile. Il seguente studio è centrato sulla progettazione e lo sviluppo di un bioreattore a perfusione dotato di doppio flusso, in cui un’efficiente e regolabile perfusione a flusso radiale viene applicata per consentire la diffusione di nano-sistemi attraverso matrici polimeriche microporose. Il lavoro proposto mostra anche un'ampia sperimentazione riguardante la sintesi di strutture polimeriche al fine di realizzare un modello 3D in vitro altamente performante per le coltura cellulari. Tutto questo, insieme alla produzione di potenziali nanoparticelle utili per molteplici applicazioni, come sonde per bioimaging o vettori per la somministrazione di farmaci. Con la combinazione di micro- e nano-strutture in un ambiente controllato, il bioreattore è proposto come un potenziale apparato in vitro per nuovi test pre-screening di farmaci e per studiare nuove terapie, con più benefici costi/tempo e meno problemi etici rispetto a modelli animali in vivo.