Optimisation of a perfusion bioreactor for 3D culture of a liver disease immunocompetent model

Liver fibrosis is a chronic disease led by various causes such as viral infections, drug-induced liver toxicity, excessive alcohol consumption and an unbalanced diet rich in fat, the latter resulting in non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). There is an urgent need for new treatments for liver diseases, as it has been estimated that nearly 80% of new potential drugs fail at the clinical trial, although they had previously resulted safe and efficient at the preclinical stage. This probably happens because of the lack of reliable models that can reproduce the features of liver physiology and pathology in pre-clinical studies. Therefore, there is a need for advanced 3D in vitro models that can better mimic the liver natural microenvironment and provide a more accurate representation of liver physiology and pathology. In this project, I focused on the optimisation of a confined perfusion bioreactor for 3D culture of liver disease immunocompetent models. Starting from the HuTS (Human tissue segments) bioreactor, previously developed in the Urbani group, perfusion conditions were optimised to support the co-culture of patient-derived peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) with fibrotic and non-fibrotic liver ECM, to establish reliable immunocompetent models. Learning from the tests performed in the first part of the study, we then suggested a new design for the HuTS bioreactor, named HuTS 2.0, to improve reliability and performance.

La fibrosi epatica è una malattia cronica dovuta a varie cause, quali infezioni virali, tossicità epatica indotta da farmaci, consumo eccessivo di alcol e dieta squilibrata ricca di grassi, quest'ultima causa della steatosi epatica non alcolica (Nonalcoholic Fatty Liver Disease, NAFLD).C'è un urgente bisogno di nuovi trattamenti per le malattie del fegato, poiché è stato stimato che quasi l'80% dei nuovi potenziali farmaci fallisce nella sperimentazione clinica, anche se in precedenza erano risultati sicuri ed efficaci nella fase preclinica. Ciò accade probabilmente a causa della mancanza di modelli affidabili in grado di riprodurre le caratteristiche della fisiologia e della patologia epatica negli studi preclinici. Pertanto, è necessario disporre di modelli 3D in vitro avanzati che possano imitare meglio il microambiente naturale del fegato e fornire una rappresentazione più accurata della fisiologia e della patologia epatica. In questo progetto mi sono concentrato sull'ottimizzazione di un bioreattore a perfusione confinata per la coltura 3D di modelli immunocompetenti di malattie epatiche. Partendo dal bioreattore HuTS (Human tissue segments), precedentemente sviluppato nel gruppo del professor Urbani, le condizioni di perfusione sono state ottimizzate per supportare la co-coltura di cellule mononucleari del sangue periferico umano (PBMC) derivate da pazienti con ECM epatica fibrotica e non fibrotica, per stabilire modelli immunocompetenti affidabili. Sulla base dei test effettuati nella prima parte dello studio, abbiamo proposto un nuovo design per il bioreattore HuTS, denominato HuTS 2.0, per migliorare l'affidabilità e le prestazioni.