Temperature control system integrated with microfluidic platform and application of a design of experiment to characterize C.elegans life-cycle at different conditions of drug, feeding and temperature

The nematode C. elegans is emerging as one of the most promising animal model for biomedical research, including - drug screening and testing. In particular, in the frame of aging and metabolism investigations the antibiotic doxycycline was tested on the C. elegans model. Interestingly, however, the life-cycle of this animal was found to be dependent on other factors, such as temperature and concentration of E. coli bacteria as food source. Interestingly, compared to traditional methods, microfluidic C. elegans culture gives tremendous advantages in terms of worm handling, sorting and screening. Merging the advantages of our microfluidic technology and of a smart design of experiments, we analyzed how temperature, food concentration and doxycycline dose influence the life-cycle extension of the worms. In particular, a Doehlert design of experiment was chosen and 13 experiments were performed accordingly, in which combinations of the three factors were explored. In order to set different temperature conditions, from 15 °C to 25 °C, and easily monitor the worm development, we developed a thermal incubator, integrated in our microfluidic platform. We made the hypothesis of a quadratic polynomial mathematical relation between the response, i.e. the worm life-cycle, and the three factors. The experimental results proved the validity of our mathematical model. Moreover, iso-surfaces were used to evaluate the impact of each factor on C. elegans life-cycle and to quantify, at the same time, the response in any part of the experimental domain. The results showed that the strongest influence on the C. elegans life-cycle is given by the temperature and the concentration of the drug. In fact, the strongest developmental delay was obtained when the worms were treated with the highest concentration of doxycycline and at low temperature. This result can be considered a great first step for future drug tests on more complete animal models and eventually on humans.

Il nematode C. elegans sta emergendo come uno dei più promettenti modelli animali per la ricerca biomedica, tra cui: screening e test di farmaci. In particolare, nell'ambito delle indagini sull'invecchiamento e sul metabolismo, l’antibiotico doxiciclina è stato testato sui nematodi C. elegans. È interessante notare, tuttavia, che il ciclo di vita di questo animale è risultato essere dipendente da altri fattori, come la temperatura e la concentrazione dei batteri di E. Coli, come fonte di cibo. È interessante notare che, rispetto ai metodi tradizionali, la coltura microfluidica di C. elegans offre enormi vantaggi in termini di manipolazione, selezione e screening. Unendo i vantaggi della nostra tecnologia microfluidica e di un design intelligente di esperimenti, abbiamo analizzato come la temperatura, la concentrazione di cibo e la dose di doxiciclina influenzano l'estensione del ciclo di vita dei vermi. In particolare, è stato scelto un Doehlert Design e sono stati eseguiti 13 esperimenti nei quali sono state esplorate le combinazioni dei tre fattori. Per impostare diverse condizioni di temperatura, da 15 ° C a 25 ° C, e monitorare facilmente lo sviluppo del verme, abbiamo sviluppato un incubatore termico, integrato nella nostra piattaforma microfluidica. Abbiamo fatto l'ipotesi di una relazione matematica quadratica polinomiale tra la risposta, vale a dire il ciclo di vita del nematode, e i tre fattori. I risultati sperimentali hanno dimostrato la validità del nostro modello matematico. Inoltre, iso-superfici sono state utilizzate per valutare l'impatto di ciascun fattore sul ciclo di vita di C. elegans e per quantificare, allo stesso tempo, la risposta in qualsiasi parte del dominio sperimentale. I risultati hanno mostrato che l'influenza più forte sul ciclo di vita di C. elegans è data dalla temperatura e dalla concentrazione del farmaco. Infatti, il ritardo di sviluppo più forte è stato ottenuto quando i nematodi sono stati trattati con la più alta concentrazione di doxiciclina e una bassa temperatura. Questo risultato può essere considerato un ottimo primo passo per futuri test farmacolodici su modelli animali più completi e, infine, sugli esseri umani.