Prototypes of in vitro 3D model to determine the role of pulmonary mucus on SARS-CoV-2 infection

Pulmonary mucus is a dynamic semipermeable barrier mostly composed of water and mucin that acts as a protective shielding for the lining epithelium. In case of adverse events, such as SARS-CoV-2 pathological condition, mucin types MUC5B and MUC5AC secretion increases causing network entanglement and abnormal increasing in rheological properties. The aim of this thesis is to develop, characterize, and validate an in vitro model able to mimic healthy and pathological condition due to SARS-CoV-2 infection. The developed prototypes are made of alginate, a natural polysaccharide discovered to be the main responsible of mechanical properties, and mucin, mucus protein incorporated to mimic natural airway biochemistry, and can be dissolved in several mediums. It was found that balance mucin amount is essential to not produce pH decreasing and low cell viability. Studies about cytotoxicity, viral and bacterial infection, and drug permeability on the models were computed at UniTO and UniPV and showed promising results for its use during biological experiments. Mu4Covid 2.1 and Mu4Covid P 2.3 were selected as the compositions to mimic respectively the healthy and SARS-CoV-2 condition. For those optimized models storage, dispensability, wells adaptation, and stability at 37°C have been investigated. Finally, tests conducted in medium containing S. aureus secretome showed that bacteria can be included in the pathological mucus model. Components dissolution is guaranteed, but results evident that bacteria secreted components have consequences on mucus viscosity and network entanglement.

Il muco polmonare è una barriera semipermeabile dinamica principalmente composta da acqua e mucina che funge da schermo protettivo per l'epitelio di rivestimento. In caso di eventi avversi, come per la condizione patologica SARS-CoV-2, la secrezione di MUC5B e MUC5AC aumenta, causando infittimento della rete e incremento anomalo delle proprietà reologiche. Il fine di questa tesi è sviluppare, caratterizzare e validare un modello in vitro che simuli la condizione sana e patologica dovuta a SARS-CoV-2. I prototipi realizzati sono composti da alginato, polisaccaride naturale scoperto essere il principale responsabile delle proprietà meccaniche, e mucina, proteina del muco incorporata per imitare la biochimica delle vie aeree, e possono essere disciolti in diversi medium. Si è riscontrato che bilanciare la quantità di mucina è essenziale per non causare una diminuzione del pH e della vitalità cellulare. Studi effettuati in UniTO e UniPV sulla citotossicità, infezione virale e batterica. e permeabilità ai farmaci dei modelli, hanno mostrato risultati promettenti al fine di un loro utilizzo negli esperimenti biologici. Mu4Covid 2.1 e Mu4Covid P 2.3 sono stati selezionati come le composizioni che imitano rispettivamente la condizione sana e da SARS-CoV-2. Per i modelli ottimizzati sono stati studiati lo stoccaggio, la dispensabilità, l'adattamento ai pozzetti e la stabilità a 37 ° C. Infine, test condotti in medium con secretoma di S. aureus hanno mostrato che i batteri possono includersi nel modello di muco patologico. La dissoluzione dei componenti è garantita, ma risulta evidente che le componenti secrete dai batteri hanno conseguenze sulla viscosità del muco e sulla fittezza della rete.