Development and optimization of a confined perfusion bioreactor for a 3D immunocompetent model to investigate extracellular matrix-immune cells interactions in liver fibrosis

Chronic liver disease (CLD) account for approximately 2 million deaths per year world-wide, equating to 4% of total deaths. CLDs are characterized by a chronic inflammation state and synthesis and remodeling of the extracellular matrix (ECM). This pathological condition is known as fibrosis. A growing body of evidence shows that liver ECM plays an active role in influencing immune responses. A wide range of ECM proteins act as ligands for various immune cells receptors or contain binding domains for a plethora of growth factors, cytokines and chemokines. These molecules can be released upon ECM remodeling (during regeneration/wound healing) to act on resident and infiltrating immune cells. Although the ECM and circulating immune cells are recognized as key players in driving fibrosis, their specific interactions in the context of liver fibrosis remains largely unexplored. This is in part due to a lack of an appropriate model to recapitulate the complex hepatic disease microenvironment and the recruitment of circulating immune cells in the ECM, hampering the possibility to find efficient therapeutic interventions to avoid liver transplantation. To fill this gap, the project focused on the manufacturing and optimization of a custom-made bioreactor named Human Tissue Segment 2.1 (HuTS 2.1). This system demonstrated to sustain the perfusion of viable primary human immune cells, isolated from healthy donors’ whole blood, through decellularized liver scaffolds generated from human healthy and fibrotic livers. HuTS 2.1 proved to be a powerful tool for developing an immunocompetent dynamic model of liver fibrosis, enabling the exploration of the bidirectional cross-talk between the ECM and the circulating immune system through flow cytometry and histological analysis.

Le malattie epatiche croniche sono responsabili di circa 2 milioni di decessi all'anno a livello mondiale, equivalenti al 4% del totale dei decessi. Queste patologie sono caratterizzate da uno stato di infiammazione cronica e dalla sintesi e rimodellamento della matrice extracellulare (ECM), una condizione nota come fibrosi. Un crescente numero di evidenze dimostra che l'ECM epatica svolge un ruolo attivo nell'influenzare le risposte immunitarie. Molte proteine della ECM agiscono come ligandi per diversi recettori delle cellule immunitarie o contengono domini di legame per una moltitudine di fattori di crescita, citochine e chemochine. Queste molecole possono essere rilasciate durante il rimodellamento dell'ECM (durante il processo di rigenerazione/guarigione delle ferite) per agire sulle cellule immunitarie residenti e infiltranti nella ECM epatica. Sebbene l'ECM e le cellule immunitarie sistemiche siano riconosciute come attori chiave nel processo della fibrosi, le loro interazioni specifiche nel contesto della fibrosi epatica rimangono in gran parte inesplorate. Ciò è in parte dovuto alla mancanza di un modello adeguato che possa ricreare il complesso microambiente della malattia e il reclutamento delle cellule immunitarie circolanti nella ECM, ostacolando la possibilità di trovare interventi terapeutici efficaci per evitare il trapianto di fegato. Per colmare questa lacuna, il progetto di tesi si è concentrato sulla produzione e ottimizzazione di un bioreattore chiamato Human Tissue Segment 2.1 (HuTS 2.1). Questo sistema ha dimostrato di sostenere la perfusione di cellule immunitarie umane primarie vitali, isolate dal sangue intero di donatori sani, attraverso scaffold epatici decellularizzati generati da fegati sani e fibrotici umani. HuTS 2.1 si è rivelato uno strumento potente per lo sviluppo di un modello dinamico immunocompetente di fibrosi epatica, consentendo l'esplorazione del dialogo bidirezionale tra l'ECM e il sistema immunitario sistemico tramite citometria a flusso e analisi istologiche.