Valutazione sperimentale e riprogettazione di un dispositivo microfluidico per la coltura cellulare volta allo screening farmacologico di modelli tumorali

Objective: Recently, the importance of cytotoxicity analyses on 3D cellular substrates has been demonstrated. These tests highlight differences in response in respect to standard 2D plate assays, and are gaining increasing importance in cancer research. We investigated this field of research by evaluating, experimentally testing and re-designing a microfluidic device. This device allowed us to culture and analyze cells in situ, and to automatically test a pharmacological substance at different concentrations. In detail, the platform was used for two different applications: the formation and analysis of micro-aggregates of cancer cells (3D application), and the generation of a primary cells adherent monolayer followed by cancer cells introduction (2D application). Methods: Experimental protocols were used to evaluate the microfluidic device. The 3D application involved the cellular seeding and culturing inside the chip with two different cancer cell lines (MG63 and BOKL). Micro-aggregates obtained were then treated with different concentrations of a chemotherapeutic drug. The 2D application concerned the seeding, culturing and osteo-differentiation of bone marrow stem cells (BMC). The cellular monolayer obtained was then seeded with cancer cells to mimic a bone tissue come under neoplasm attack. A new design of the device was then created to solve problems we came across during experimental tests. In order to do this, computational fluid dynamics (CFD) and lumped parameter analog simulations were carried out. Results: Thanks to the microfluidic platform, cancer cells’ micro-aggregates were obtained, and their morphology, vitality and chemotherapeutic response were tested. On the other hand, a medium-term vital cellular monolayer was not accomplished. This was mainly due to the shortcomings incidental to the device itself. These problems were solved in the new design, also with the help of computational simulations. Discussion: The tested microfluidic device showed some weaknesses that prevent the full success of experimental protocols. Thanks to experimental and computational results, we were able to create a new version of the device with increased potentiality.

Obiettivo: Recentemente, è stata dimostrata l’importanza di test di citotossicità su substrati cellulari tridimensionali, che mostrano risposte diverse dalle prove 2D su piastra, in particolare nella ricerca contro i tumori. In questo lavoro, è stato testato sperimentalmente e riprogettato un dispositivo microfluidico per la coltura e l’analisi di cellule in situ, in grado di generare diluizioni successive di una sostanza in ingresso. Nello specifico, la piattaforma è stata utilizzata per due applicazioni: la formazione e l’analisi di microaggregati tumorali (applicazione 3D) e l’adesione di un monolayer di cellule primarie, in seguito attaccate da cellule tumorali (applicazione 2D). Metodi: Per valutare il dispositivo sono state utilizzate prove sperimentali di caratterizzazione. L’applicazione tridimensionale ha coinvolto la semina e la coltura all’interno del chip di due linee cellulari tumorali (MG63 e BOKL) e la conseguente analisi di citotossicità di un chemioterapico a diverse concentrazioni. L’applicazione bidimensionale ha implicato la semina e la coltura di cellule primarie staminali da midollo osseo (BMC), osteodifferenziate in loco, e la successiva semina di cellule tumorali per la mimesi dell’attacco della neoplasia sul tessuto ospite. Per la riprogettazione a seguito dei problemi riscontrati durante le prove sperimentali, sono stati utilizzate simulazioni computazionali, fluidodinamiche e con analogo elettrico. Risultati: Attraverso la piattaforma microfluidica è stato possibile ottenere microaggregati tumorali e analizzarne morfologia, vitalità e risposta a un chemioterapico. Non è stato invece possibile realizzare un monostrato cellulare con vitalità a medio termine. Ciò è derivato dalle problematiche insite nel dispositivo, che sono state corrette nella riprogettazione, anche a fronte delle simulazioni effettuate. Discussione: La piattaforma microfluidica testata ha mostrato alcuni difetti che hanno impedito la totale riuscita delle prove sperimentali. Grazie ai risultati ottenuti da esse e dalle simulazioni computazionali, è stato possibile realizzare un nuovo disegno del dispositivo, di cui si prospetta un migliore funzionamento.