PROGETTO, SVILUPPO E SIMULAZIONE DI Organs On Chip (OOC) PER VALUTARE PARAMETRI FLUIDICI ED IL LORO IMPATTO IN ONCOLOGIA

Abstract

Secondo l’AIRC le neoplasie sono la principale causa di mortalità nel mondo. La principale causa di mortalità è legata all’azione di metastasi secondarie diffuse nell’organismo a partire dal sito primario, principalmente via sangue o linfa. Tale azione si manifesta attraverso una proliferazione su un organo bersaglio a distanza, mettendone a rischio funzionalità, spesso essenziali per la vita. Il viaggio delle cellule neoplastiche dal sito primario all’organo bersaglio è soggetto a stress chimico-fisici poco conosciuti. Tra questi nella mia tesi prendo in considerazione lo shear stress emodinamico, quale indicatore principale di alterazione del funzionamento cellulare e quindi di grado di ‘malignità’. I modelli in vitro/animali tradizionali o le colture cellulari, spesso non riescono a mimare con accuratezza la fisiologia umana e tendono quindi a riassumere scarsamente la patofisiologia cellulare. Gli Organs-On-Chip sono sempre più considerati come una tecnologia potenzialmente dirompente in ambito medico e capace di risolvere i problemi sopra citati. Si tratta di chip multifluidici tridimensionali per colture cellulari, che simulano le attività biologiche, la meccanica e la risposta fisiologica di interi organi o addirittura di sistemi di organi, quasi un organo in vitro ben rappresentativo di quello in vivo. Per lavorare su questo scenario ai fini del progetto, sviluppo e simulazione di OOC, si è strutturata la tesi in due parti: 1. OOC commerciali e su di essi ho condotto simulazioni su shear stress, velocità, tracciamento particellare, processi diffusivi 2. Progettazione e simulazione di un chip microfluidico, in qualche modo confrontabile, seppure in via ridotta con gli OOC di cui sopra e su di esso ho condotto le stesse simulazioni al fine di arrivare a suggerire qualche indicatore capace di ottenere una qualche forma di valutazione comparativa tra i diversi OOC disponibili, mettendo in luce la necessità di avere un approccio progettuale flessibile e modulare

According to AIRC, tumor metastasis are the main death cause worldwide. The main reason of tumor mortality is the action of secondary metastasis that spread through the bloodstream in the organism from the primary tumor. The path of Circulating Tumor Cells (CTCs) presents chemical and physical stresses which are still poorly known. In this thesis I consider emodynamic shear stress and its action on CTCs viability and proliferation. Standard in vitro and animal models can’t carefully mimic human physiology: Organs-On-Chip (OOC) are increasingly considered a disrupting technology that can solve these kind of issues. OOCs are 3D multifluidic chips for cellular cultures, that can mimic biological activities, the mechanics and the physiological response of a whole organ. In order to work on this scenario of study, development and simulation of OOCs, this thesis is divided in two sections: 1- Commercial OOCs, on which I conducted Shear Stress, velocity field, particle tracing and diffusive simulations 2- Development and simulation of a microfluidic chip in order to evaluate these physical parameters and compare them to the commercial OOCs.