Design of an automated perfusion system for high-throughput drug screening applications in the clinic

Drug discovery is a costly and time-consuming process, characterized by an extremely high failure rate. Indeed, 95% of the drugs fail in the early preclinical stages. The main cause is the incapability of in vitro and preclinical models to accurately mimic the complexity and heterogeneity of in vivo conditions. 3D in vitro models are emerging as a valid alternative to conventional 2D cultures as they are able to better recapitulate the cellular microenvironment. Tridimensional models can be combined with HTS (high-throughput screening) and microfluidics strategies to analyze thousands of compounds at the same time in a dynamic and controlled microenvironment able to replicate the mechanical and biochemical clues to which cells are exposed in vivo. The aim of this work is the development of an automated perfusion system for high-throughput drug screening applications. The perfusion system is constituted by a series of selector valves and micropumps, which were selected and integrated with a distribution network to uniformly perfuse a multi-well plate, in which patient-derived organoids are cultured. The functioning of the platform is handled by a control system, developed in Phyton programming language and Arduino IDE. The culture plate was optimized to be fully integrated with the perfusion system. The wells were designed with a custom cross-section to include the inlet and the outlet channels within them. The fluid dynamics inside the wells was investigated through CFD simulations to optimize the position of the inlet channel and study the diffusion of drugs. The eluate collection mechanism at the outlet of the wells was also developed to independently collect the fluid exiting from each well.

Lo sviluppo di farmaci è un processo lungo e costoso, caratterizzato da un tasso di fallimento estremamente elevato. Infatti, il 95% dei farmaci fallisce nelle prime fasi precliniche. La causa principale è l'incapacità dei modelli preclinici e in vitro e di replicare la complessità e l'eterogeneità delle condizioni in vivo. I modelli 3D in vitro stanno emergendo come una valida alternativa alle colture convenzionali 2D in quanto in grado di replicare più accuratamente il microambiente cellulare. I modelli tridimensionali possono essere combinati con strategie HTS (high-throughput screening) e microfluidiche per analizzare migliaia di composti contemporaneamente in un microambiente dinamico e controllato in grado di fornire gli stessi stimoli meccanici e biochimici a cui le cellule sono esposte in vivo. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un sistema di perfusione automatizzato per lo screening high-throughput di farmaci. Il sistema di perfusione è costituito da una serie di valvole selettrici e micropompe, che sono state selezionate e integrate con una rete di distribuzione per perfondere uniformemente una piastra multi-well, in cui sono coltivati organoidi derivati da paziente. Il funzionamento della piattaforma è gestito da un sistema di controllo, sviluppato in linguaggio di programmazione Phyton e Arduino IDE. La piastra di coltura è stata ottimizzata per essere completamente integrata con il sistema di perfusione. I pozzetti sono stati progettati con una sezione adatta ad includere al loro interno i canali di ingresso e di uscita. La fluidodinamica all'interno dei pozzetti è stata studiata attraverso simulazioni CFD per ottimizzare la posizione del canale di ingresso e analizzare il processo di diffusione dei farmaci. È stato inoltre sviluppato il meccanismo di raccolta degli eluate cellulari all'uscita dei pozzetti per raccogliere in modo indipendente il fluido in uscita da ciascun di essi.