Sviluppo di un dispositivo per la generazione di flussi controllati su colture cellulari : dal banco prova al laboratorio

The purpose of this work is to develop a cone-and plate device to stimulate endothelial cells with controlled flows. The device has been produced at Laboratorio di Meccatronica (Bergamo University) and it has been modified to use it in Istituto di ricerche farmacologiche “Mario Negri” (Bergamo). Literature provides many evidences to support the idea that particularly flows, especially turbulent flows, are able to modify endothelial cells geometry and phenotype, driving atherosclerosis formation and development. The cone-and-plate device is used in several studies and the dynamics is well described. The device and the culture medium have been sized and motion laws have been made to control cone’s movements. The followed procedure, from the cells isolation to the experiments using the device, ensure the sterility and the good laboratory practice. Experiments show that cells are able to stay on the culture substrate. The system results reliable but electrical engine heat production is too high to use the device in a incubator and not enough stable to use it in room-environment. The correct temperature is fundamental for cells response to flow, particularly in term of protein production.

Il presente lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto di ricerche farmacologiche “Mario Negri” e il Laboratorio di Meccatronica dell’Università di Bergamo, ha in oggetto lo sviluppo di un dispositivo adatto alla stimolazione, con flussi controllati, di colture di cellule endoteliali ed in particolare di HUVECs (Human umbelical vein endothelial cells). Inizialmente è stato inquadrato il legame che esiste tra le cellule endoteliali e determinati tipi di flussi. La letteratura riporta che esiste un legame diretto tra turbolenza del flusso sanguigno e sviluppo di patologie come l’aterosclerosi, definendo le caratteristiche di aterogenicità dei flussi, in particolare in termini di sforzo di taglio alla parete. Il dispositivo, sviluppato presso l’università, è un piatto cono controllato in tempo reale che è stato dotato di un circuito di alimentazione adatto all’utilizzo in laboratorio, il dispositivo, ampiamente utilizzato a livello sperimentale, presenta una fluidodinamica ben descritta. Partendo da studi computazionali sono state prodotte delle leggi di moto con cui pilotare la rotazione del cono e si è provveduto al dimensionamento del medium delle colture. Per garantire la buona riuscita degli esperimenti si è sviluppata una procedura che, a partire dall’isolamento delle HUVECs, arriva fino alla stimolazione con il dispositivo. Infine sono stati eseguiti alcuni esperimenti per verificare la permanenza delle cellule in coltura. Le cellule si sono dimostrate in grado di permanere adese al substrato di coltura in numero e aspetto variabili. Lo strumento si è rivelato affidabile dal punto di vista meccanico ma problematico dal punto di vista termico. Gli esperimenti si sono svolti a temperatura ambiente, il calore generato esclusivamente dal motore non permette il controllo della temperatura che è legata al profilo di velocità. Questo non permette di assicurare l’ambiente adatto alla sintesi proteica e quindi all’adattamento cellulare.