Development of advanced cell culture platforms to engineer and assess functional cardiac in vitro tissue models

Nowadays heart diseases are the main cause of death world-wide. Unraveling the basic mechanisms involved in cardiac cell differentiation, and tissue maturation and regeneration, therefore represents a crucial challenge in the field of cardiac tissue engineering (TE). In this contest, engineered devices designed and developed to culture cells within controlled biomimetic environments, represent powerful tools to investigate both physiological and pathological cellular processes. Furthermore, the ability to generate functional cardiac micro-tissues in vitro featuring the complexity of native myocardium in mid- to high-throughput settings, is becoming a key requirement in the pharmaceutical field (i.e. preclinical drug screening on disease’ patient specific basis). In this perspective, the main objective of the PhD project is to design, develop and test new advanced culture platforms tailoring cardiac-specific biomimetic physiological or pathological cues, enabling for the generation and direct testing of functional 3D in vitro models. The design and development concern both macro (bioreactor chambers) and micro (Lab-on-Chip) engineered systems exploited to study tissue development processes (i.e. cellular response to chemical and electro-mechanical stimulation), to conduct preclinical test of drug efficacy and toxicity (i.e. cardiotoxicity, antiarrhythmic compounds) and to create patient specific disease models (i.e. inflammatory environments, pathological conditions).

Al giorno d'oggi le malattie cardiache sono la principale causa di morte in tutto il mondo. Elucidare i meccanismi di base coinvolti nella differenziazione delle cellule cardiache e la maturazione e rigenerazione dei tessuti, rappresenta quindi una sfida cruciale nel campo dell'ingegneria tissutale cardiaca. In questo contesto, dispositivi ingegnerizzati progettati e sviluppati per coltivare cellule all’interno di ambienti biomimetici controllati, risultano strumenti fondamentali per studiare i processi cellulari sia fisiologici che patologici. La capacità di generare in vitro micro-tessuti cardiaci funzionali, che riproducano l’alto livello di complessità tipico del miocardio, sta diventando un requisito chiave nel campo farmaceutico, sia per screening preclinico che per screening paziente-specifici. In questa prospettiva, l'obiettivo principale del progetto di dottorato è stato quello di progettare, sviluppare e testare nuove ad avanzate piattaforme di coltura cellulare in grado di fornire segnali fisiologici o patologici biomimetici specifici del tessuto cardiaco, per generare e testare direttamente in vitro modelli funzionali 3D. La progettazione e lo sviluppo riguardano sia sistemi macro (camere di bioreattori) che sistemi micro (Lab-on-Chip), ingegnerizzati per studiare i processi di sviluppo dei tessuti (ad esempio la risposta cellulare alla stimolazione chimica ed elettromeccanica), per condurre test preclinici sull'efficacia e tossicità dei farmaci (cardiotossicità o effetti cronotropici) e per creare modelli di malattia paziente-specifici(infiammazioni e condizioni patologiche).