Modellizzazione delle Anisotropie nei tessuti biologici: metodologie innovative multidisciplinari per la comprensione delle patologie fibrotiche e dei tumori

Fibrotic diseases and cancers represent significant clinical challenges that require innovative approaches for timely diagnosis, effective treatment, and better understanding of the underlying pathological mechanisms. In particular, cardiac fibrosis, liver fibrosis, and breast cancer are complex conditions involving structural and functional alterations in the affected tissues, affecting patients' quality of life and increasing the risk of serious complications. The modeling of anisotropies in the respective biological tissues plays a key role in an in-depth understanding of these diseases. This thesis, aims to explore advanced methods and emerging technologies in order to address current challenges and open new perspectives in the diagnosis and treatment of these complex diseases.However, traditional models have limitations in accurately representing internal soft tissue inhomogeneities and structural anisotropies, which are critically important elements in obtaining valid and predictive models. To overcome these challenges, this work places the focus on the application of cutting-edge technologies such as Bioprinting, Organs on Chip, and In Silico Modeling. The use of advanced biomedical technology applications such as Organs on Chip allows the study of the effect of tissue anisotropies on the development and progression of nonphysiological changes. In addition, a Workflow is proposed for 3D printing of pathological cardiac tissue, affected by Fibrosis, considering the engineered parameters in Bioprinting, such as printing material composition, microstructure, printing speed and temperature. In parallel, In Silico Modeling offers a complementary approach to simulate and predict pathological mechanisms.

Le patologie fibrotiche e i tumori rappresentano sfide cliniche significative che richiedono approcci innovativi per una diagnosi tempestiva, un trattamento efficace e una migliore comprensione dei meccanismi patologici sottostanti. In particolare, la fibrosi cardiaca, la fibrosi epatica e il tumore al seno sono condizioni complesse che comportano alterazioni strutturali e funzionali dei tessuti interessati, influenzando la qualità della vita dei pazienti e aumentando il rischio di complicanze gravi. La modellizzazione delle anisotropie nei rispettivi tessuti biologici riveste un ruolo fondamentale per una comprensione approfondita di queste patologie. Questo lavoro di tesi, si propone di esplorare metodi avanzati e tecnologie emergenti al fine di affrontare le sfide attuali e aprire nuove prospettive nella diagnosi e nel trattamento di queste malattie complesse.Tuttavia, i modelli tradizionali presentano limitazioni nella rappresentazione accurata delle disomogeneità interne dei tessuti molli e delle anisotropie strutturali, elementi di fondamentale importanza per ottenere modelli validi e predittivi. Per superare queste sfide, questo lavoro pone il focus sull'applicazione di tecnologie all'avanguardia come il Bioprinting, Organs on Chip e la Modellizzazione in Silico. L'utilizzo di applicazioni tecnologiche biomediche avanzate, come gli Organs on Chip permette di studiare l'effetto delle anisotropie dei tessuti sullo sviluppo e la progressione delle alterazioni non fisiologiche. Inoltre, è proposto un Workflow per la stampa 3D del tessuto cardiaco patologico, affetto da Fibrosi, considerando i parametri ingegnerizzabili nel Bioprinting, come la composizione del materiale di stampa, la microstruttura, velocità e temperatura di stampa. In parallelo, la Modellizzazione in Silico offre un approccio complementare per simulare e predire i meccanismi patologici.