GSIR-on-a-chip : development of an in vitro microfluidic platform and its in silico model for the evaluation of insulin-producing cell functionality

The present thesis concerns the development of a microfluidic device and its in silico model for the evaluation of insulin-producing cells. Diabetes mellitus is the 8th cause of death in the world and the transplantation of conformal coated pancreatic islets could be a effective cure. Proper in vitro models for the evaluation of the quality of isolated insulin-producing cells are crucial for increasing the possibility of better outcomes in transplantations. In this framework, the most common test to assess islet functionality is to evaluate the insulin release both in amplitude and temporal evolution under different glucose stimuli (GSIR assay). Unfortunately the most common platforms used do not resemble neither the dynamics of processes present in vivo between islet and capillaries neither they recreate a similar microenvironment of specific transplant sites. In this way, thanks to the microfludics, it was test the feasibility to implement a platform much better mimicking in vivo situation, both in the pattern of stimulation and the recreation of a promising transplant site (Epididimal Fat Pad), for address a reliable and more predictive platform for future transplants. Starting from the fabrication and preparation of the final form of the microfluidic device, first all the GSIR procedures that can be involved in the new microfluidic platform were optimized. Afterwards, the feasibility to transfer the GSIR on the microfluidic device was evaluated. Several biologic validation of the platform were made. Eventually a parallel computational fluid-dyanmics model was implemented to replicate GSIR experimental conditions, in order to offer a support tool to better understand the dynamics in the stimulation of insulin-producing cells

La presente tesi ha come obiettivo lo sviluppo di un dispositivo microfluidico e del suo modello in silico per la valutazione di cellule secernenti insulina. Il diabete mellito è l'ottava causa di morte nel mondo e il trapianto di isole pancreatiche rivestite conformalmente apre nuove possibilità all'effettiva cura della patologia. La valutazione tramite modelli in vitro della funzionalità delle isole pancreatiche isolate fornisce la possibilità di implementare piattaforme replicanti i processi di diffusione come avvengono in vivo, e più predittive dell'andamento dei futuri trapianti. In questo contesto, il test più comune per valutare la qualità delle cellule è valutare il rilascio di insulina sia in ampiezza che in evoluzione temporale (saggio GSIR) con diversi stimoli di glucosio. Grazie alla microfludica, è stato possibile implementare un modello di stimolazione che nella ricreasse il microambiente di un sito di trapianto (Epididimal Fat Pad). Partendo dalla fabbricazione e preparazione nella forma finale del dispositivo microfluidico, in primo luogo sono state ottimizzate tutti i parametri coinvolti nell'esecuzione della GSIR-on-a-chip. Successivamente è stata testata la fattibilità di effettiva funzione biologica del nuovo dispositivo microfluidico. Parallelamente è stato implementato un modello di calcolo numerico per replicare le condizioni sperimentali di GSIR, in modo da fornire uno strumento di supporto e di approfondimento di tutte le dinamiche presenti nella stimolazione di isole pancreatiche.