Caratterizzazione di un sistema di coltura cellulare 3D dinamico per high-throughput drug screening

Drug discovery is a time-consuming, costly, and complex process, because it must satisfy specific restrictive requirements and it shows an extremely high failure rate. Indeed, 95% of the drugs involved in the development process don’t reach the clinical stage. The reason behind this high failure rate depends on the incapability of in vitro and preclinical models to mimic the vivo condition, characterized by a more complex and heterogeneous microenvironment. To overcome the limits of conventional 2D cell culture systems, 3D models are emerging as they better replicate in vivo conditions, 3D systems are getting promising results and representing an efficient alternative to fill the gap between in vitro and in vivo models. These systems can be developed following different strategies; indeed, they can be combined with High-Throughput Screening (HTS) systems as well as integrated in microfluidics platforms. The latter allows the analysis of drug administration in dynamic and controlled cell culture conditions. However, in both cases, it is not possible to have a combination of the two solutions, so scientists look for trade-offs. This thesis wants to overcome this current limit by developing an industrializable high-throughput microfluidic platform designed for drug screening. Specifically, the work was focused on the optimization of the well plate, in terms of fabrication, design and operating conditions. The chosen manufacturing process was the stereolithography 3D printing technique. With respect to this method, a biomedical resin was selected, and the printing parameters were optimized to satisfy the platform requirements. The design optimization of the wells allowed their proper functioning independently from the material properties, its interaction with cell culture medium and the system complexity. The project focused on the characterization of the working conditions. Furthermore, a custom-made eluate collection system was introduced to make the platform independent from the fluid used. This system allowed keeping the proper working conditions using passive mechanisms; so, it didn’t introduce additional complexity to the system, such as pumps or active valves.

Il processo che consente lo sviluppo di farmaci è lungo, costoso e complesso perché deve sottostare a rigide regolamentazioni e presenta una percentuale di fallimento molto elevata. Infatti, il 95% dei farmaci in via di sviluppo non raggiunge la fase clinica. Il motivo di questo insuccesso dipende dall’incapacità dei modelli in vitro e pre-clinici di mimare le condizioni in vivo, caratterizzate da una maggiore complessità ed eterogeneità. Per cercare di superare i limiti legati alle colture 2D convenzionali, stanno emergendo i modelli in vitro 3D, capaci di riprodurre più fedelmente le condizioni in vivo. I modelli 3D stanno ottenendo risultati promettenti e si propongono come valida alternativa per riempire il divario tra in vitro e in vivo. I modelli di questo tipo sfruttano diverse strategie e possono essere combinati con i sistemi High-Throughput Screening (HTS) o integrati in piattaforme microfluidiche. Quest’ultima possibilità consente di analizzare la somministrazione di farmaci in condizioni dinamiche controllate. In entrambi i casi, però, non è possibile avere una combinazione delle due soluzioni e pertanto si ricorre a compromessi. Il progetto di tesi si propone di superare questo limite attuale sviluppando una piattaforma microfluidica industrializzabile per fare high-throughput drug screening. Nello specifico il lavoro si è focalizzato sull’ottimizzazione dei pozzetti di coltura in termini di fabbricazione, design e condizioni di funzionamento. La tecnica di fabbricazione selezionata è stata la stampa 3D stereolitografica (SLA). A tale scopo è stata scelta una resina di tipo biomedicale e sono stati definiti i parametri di stampa ottimali in grado di soddisfare i requisiti richiesti dalla piattaforma. L’ottimizzazione del design dei pozzetti di coltura ha permesso di adeguare il loro funzionamento alle proprietà del materiale utilizzato e alla sua interazione con il mezzo di coltura e il sistema nel suo complesso. Il progetto si è concentrato anche sulla caratterizzazione delle condizioni di lavoro. Inoltre, per disaccoppiare il funzionamento del sistema dalla tipologia di fluido utilizzato, è stato introdotto un elemento esterno al pozzetto di coltura, deputato alla raccolta degli eluati. Quest’ultimo ha permesso il mantenimento delle condizioni di funzionamento ottimali attraverso meccanismi passivi, e, quindi, senza introdurre ulteriori complessità al sistema, come sistemi di pompe o valvole.