Development of a control system for a Micro Physiological device for cell culture under dynamic conditions

The process of drug development is both lengthy and costly, and it faces significant challenges, particularly during the initial phase of clinical studies. A major contributor to the high failure rates observed during this phase is the limited predictability and reliability of existing preclinical tools, such as traditional cell cultures and animal models. There is an urgent need to enhance the efficiency of drug development by introducing innovative preclinical strategies. Micro physiological systems (MPSs) have emerged as a successful option for mimicking human micro physiology in vitro. However, to integrate MPS into the drug safety and efficacy assessment processes, they must demonstrate at least equivalence, if not superiority, to the conventional technologies currently employed. To achieve this objective, it is crucial to generate reliable and statistically robust data using relevant and reproducible models. In response to these challenges, the True Tissue on Platform (TToP) project, developed at the µBSLab of Politecnico di Milano, aims to establish a groundbreaking, adaptable platform for cell cultures capable of replicating the physiological microenvironment. This platform, composed of two distinct modules, a static module designed for static cell cultures and a dynamic module that facilitates the application of hydrodynamic conditioning to biological samples, offers a solution to standardization and automation challenges. At the core of the TToP technology is a cartridge containing a microporous membrane that can be loaded with a biological sample. Both the dynamic and static modules enable researchers to conduct cell cultures on either side of the membrane while applying precise stimuli to the biological samples. Notably, unlike other cell culture devices, both modules provide a straightforward and controlled means of retrieving the biological sample. The aim of this work is to enhance the practicality and efficiency of TToP's dynamic module, two critical aspects that determine the potential usability of this device for pharmaceutical companies and regulatory agencies. To achieve this goal, a control unit has been developed for the control and monitoring of dynamic modules hosted in housings of comparable size to traditional multi-well plates. Additionally, other technical aspects have been optimized to improve the hydraulic sealing of the device, and studies have been conducted to reduce the formation of bubbles within the chip's culture chamber. Following the design phase, a comprehensive characterization of the control unit's operation and the dynamic module's performance under working conditions was conducted. This rigorous evaluation provided satisfactory results that confirm the functionality of TToP's Dynamic Module, establishing a solid foundation for future systematic biological validation.

Il processo di sviluppo di farmaci è lungo e costoso e affronta significative sfide, specialmente durante la fase iniziale degli studi clinici. Un contributore principale all'alto tasso di fallimento osservato in questa fase è la limitata capacità di prevedibilità e affidabilità degli strumenti preclinici esistenti, come le tradizionali colture cellulari e i modelli animali. C'è un urgente bisogno di migliorare l'efficienza dello sviluppo di farmaci introducendo innovative strategie precliniche. I Sistemi Microfisiologici hanno dimostrato di essere una valida opzione per mimare la microfisiologia umana in vitro. Tuttavia, per integrare questi sistemi nei processi di valutazione della sicurezza ed efficacia dei farmaci, devono dimostrare almeno l'equivalenza, se non la superiorità, rispetto alle tecnologie convenzionali attualmente impiegate. Per raggiungere questo obiettivo, è fondamentale generare dati affidabili e statisticamente robusti utilizzando modelli pertinenti e riproducibili. Purtroppo, gli studi di ricerca accademica impiegano una gamma limitata di chip per organi, con ogni gruppo di ricerca che utilizza diverse configurazioni e metodologie dei dispositivi, aumentando la variabilità e ostacolando il confronto dei risultati. In risposta a queste sfide, il progetto True Tissue on Platform (TToP), sviluppato presso il µBSLab del Politecnico di Milano, mira a creare una rivoluzionaria piattaforma adattabile per colture cellulari in grado di replicare l'ambiente microfisiologico. Questa piattaforma, composta da due moduli distinti, un modulo preparatorio progettato per colture cellulari statiche e un modulo dinamico che facilita l'applicazione di condizionamenti idrodinamici a campioni biologici, offre una soluzione alle sfide della standardizzazione e dell'automazione. Al centro della tecnologia TToP si trova una cartuccia contenente una membrana microporosa che può essere caricata con un campione biologico. Sia i moduli dinamici che quelli statici consentono ai ricercatori di condurre colture cellulari su entrambi i lati della membrana, applicando al contempo stimoli precisi ai campioni biologici. In modo significativo, a differenza di altri dispositivi per colture cellulari, entrambi i moduli forniscono un modo semplice e controllato per recuperare il campione biologico. L'obiettivo del presente lavoro è migliorare la praticità e l'efficienza del modulo dinamico di TToP, due aspetti cruciali che determinano l'usabilità potenziale di questo dispositivo da aziende farmaceutiche e agenzie regolatorie. A tal fine, è stata sviluppata un'unità di controllo per l'automazione e il monitoraggio dei moduli dinamici ospitati in alloggi di dimensioni comparabili alle piastre multi-pozzetto tradizionali. Inoltre, altri aspetti tecnici sono stati ottimizzati per migliorare la tenuta idraulica del dispositivo e sono stati condotti studi per ridurre la formazione di bolle all'interno della camera di coltura del chip. Dopo la fase di progettazione, è stata condotta una caratterizzazione completa del funzionamento dell'unità di controllo e delle prestazioni del modulo dinamico in condizioni di lavoro. Questa rigorosa valutazione ha con successo convalidato la funzionalità del Modulo Dinamico di TToP, stabilendo una solida base per una futura validazione biologica sistematica.