Allegato 1 Capitolato tecnico CIG

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1 All interno del progetto Firb Bando "idee progettuali", dal titolo Realizzazione di un sistema integrato a basso costo per la diagnosi multipla di malattie infettive, degenerative e tumorali (Protocollo: RBIP064CRT) è prevista una consulenza per coprire alcune tematiche di ricerca nell ambito della bioingegneria, qui di seguito descritte in modo più dettagliato. Si prevede innanzitutto lo sviluppo di sistemi hardware (bioreattore) in grado di fornire gli opportuni stimoli fisico-chimici ritenuti ideali per la generazione di tessuti artificiali impiantabili (attività 1). E prevista inoltre la definizione delle condizioni di processo ottimali per la crescita e sviluppo di tessuti ex-novo nell ambito del tissue engineering (attività 2). Infine, sono previsti servizi di consulenza per soluzioni personalizzate hardware e software, per applicazioni bioingegneristiche legate al tissue engineering (attività 3). Per facilitare il lavoro e rendere più efficiente la collaborazione di consulenza, si è previsto di suddividere il lavoro da svolgere all interno del progetto FIRB in 3 attività così articolate: Attività 1: Studio e sviluppo di un processo di coltura cellulare basato su sistemi di bioreattori per la rigenerazione di sostituti tissutali. Tale attività, pari al 35% dell attività globale, deve essere consegnata entro il 20 ottobre Attività 2: Studio e implementazione delle condizioni ottimali di processo per la crescita di tessuti ex-novo e sviluppo di un modello matematico per la simulazione del tessuto in crescita. Tale attività, pari al 35% dell attività globale, deve essere consegnata entro il 30 dicembre 2010 Attività 3: Studio e implementazione di un processo semi-automatizzato per la gestione dell esperimento. Tale attività, pari al 30% dell attività globale, deve essere consegnata entro il 28 febbraio Ciascuna delle suddette attività presenta importanti obiettivi da raggiungere all interno del progetto. Al termine di ogni attività, se i risultati saranno rispondenti ai requisiti previsti nel bando e nel presente capitolato tecnico, sarà possibile presentare fattura in quota percentuale per l attività svolta. Qui di seguito vengono illustate nel dettaglio le specifiche di progetto inerenti a ciascuna attività. 1

2 Attività1: La realizzazione in vitro di grafts impiantabili secondo l ingegneria dei tessuti richiede che l ambiente di coltura sia il più simile possibile all ambiente fisiologico. Questo vale sia per l aspetto fluidodinamico sia per quello meccanico. A questo scopo, sono stati proposti diversi sistemi di bioreattore in grado di fornire nutrienti alle cellule coltivate su opportuni biomateriali ( scaffolds ) e rimuovere dal mezzo di coltura i prodotti di scarto del metabolismo cellulare. In particolare, un bioreattore per l ingegneria tissutale deve garantire sterilità e biocompatibilità, nonché un sistema di controllo delle condizioni di coltura in grado di agevolare la crescita cellulare nella specializzazione fisiologica voluta. Di fondamentale importanza sono le sollecitazioni fluidodinamiche cui sono sottoposte le cellule coltivate all interno dei biomateriali 3D; questi hanno la funzione di mimare alle cellule la matrice extracellulare e in generale il microambiente necessario per una corretta attività cellulare. Partendo da tali presupposti, saranno dapprima utilizzati modelli semplici di bioreattori per poi passare a un design e prototipizzazione di sistemi hw più complessi (bioreattori 3D a perfusione), sui quali poi valutare l effetto delle condizioni sperimentali (shear stress indotto da lusso fluido, velocità flusso, pressione idrostatica, trazione/torsione) sull attività cellulare. Le informazioni ottenute verranno impiegate per ottimizzare il processo di coltura. Tale attività di consulenza bioingegneristica prevedrà una fase di messa a punto e progettazione di un bioreattore prototipo che sia in grado di fornire opportuni stimoli fluidodinamici (portata, velocità di flusso, pressione) alle cellule coltivate su scaffold 3D. In particolare si considereranno differenti regimi di flusso a perfusione. E infatti noto che per molti tipi cellulari il microambiente fisiologico prevede una condizione di sospensione in un particolare fluido biologico. Ulteriori stimoli fisici da accoppiare ai sistemi di bioreattore potranno essere considerati in questa fase sperimentale (meccanici, elettrici, elettromagnetici,..). Tutti i materiali da impiegare per la costruzione del sistema hardware devono essere biocompatibili. Durante questa attività ci si occuperà anche di tutto il corredo di strumentazione e sensoristica necessario, da accoppiare al bioreattore, capace di indurre gli opportuni stimoli fluidodinamici e in grado di fornire informazioni sulla evoluzione della coltura in maniera semiautomatica. I sensori (ossigeno, anidride carbonica, glucosio,..) permetteranno infatti di monitorare nel tempo alcuni tra i più rappresentativi metaboliti consumati dalle cellule. Attraverso una analisi di cross-correlazione sarà dunque possibile risalire alla quantità di cellule presenti nel sistema di coltura ad un certo tempo. 2

3 Durante la fase di validazione del prototipo, la componente cellulare potrà essere sia di origine animale che umana. Le cellule potranno essere espanse sia in condizioni standard su piastra che mediante appositi bioreattori. La parte fisica (bioreattore) verrà validata attraverso l impiego di materiali bioibridi all interno dei bioreattori realizzati. L ottimizzazione dei parametri di coltura prevede la possibilità di caricare i biomateriali da testare sia prima sia durante la fase d espansione delle cellule. Riassumendo, saranno previsti i seguenti tasks: i. Individuazione delle condizioni di coltura ottimali, progettazione e sviluppo di opportuni sistemi di bioreattore 3D. ii. Definizione del modello fluidodinamico all interno della camera di coltura. iii. Valutazione del modello fluidodinamico scelto per una corretta stimolazione cellulare. iv. Validazione dei sistemi 3D di bioreattore a perfusione (substrato ceramico, polimerico) attraverso la valutazione in vitro dell effetto del flusso su: adesione e proliferazione di differenti tipi cellulari. I risultati attesi di questa attività sono l individuazione delle condizioni di coltura ottimali in termini di adesione cellulare sotto flusso e proliferazione in vitro all interno del biomateriale. Attività 2: Dai risultati ottenuti nell attività 1 sarà richiesto di sviluppare un modello matematico per la simulazione delle proprietà di un tessuto in crescita. Sarà in particolare richiesta una implementazione delle condizioni di processo ottimali per la crescita e sviluppo di tessuti ex-novo e l ingegnerizzazione del processo di coltura cellulare per la rigenerazione tessutale. L evoluzione di un tessuto biologico in vitro partendo da un costrutto cellulare tridimensionale dipende infatti da molteplici fattori (sollecitazioni meccaniche condizioni di flusso attività metabolica e catabolica). Sebbene molto complessi, questi fenomeni sono stati recentemente descritti attraverso delle equazioni matematiche ed è stato inoltre indicato un modo per prevedere l evoluzione delle proprietà meccaniche del tessuto in crescita in base ad informazioni sulla quantità ed organizzazione della matrice extracellulare deposta, cross-correlata con parametri legati al consumo di ossigeno e metaboliti rilasciati nel mezzo di coltura. La determinazione di un modello numerico risulta particolarmente utile nella fase di progettazione di un bioreattore. Un bioreattore così ingegnerizzato e realizzato è pertanto capace di fornire non solo le condizioni ottimali di coltura in termini di apporto di nutrienti, temperatura e 3

4 sollecitazioni fisiche, ma anche di monitorare in tempo reale le proprietà del tessuto deposto ed intervenire qualora richiesto riaggiornando e correggendo i parametri di processo secondo un meccanismo di feedback, in modo da ottenere un tessuto funzionale avente proprietà definite ab initio. Lo studio di un modello idrodinamico sarà il primo passo per poter analizzare l ambiente fisico all interno del bioreattore a perfusione realizzato nell attività 1. Il secondo passo sarà l accoppiamento di un sensore di ossigeno al bioreattore sopra descritto, in modo da monitorare over-time il consumo di ossigeno da parte delle cellule in coltura nel biomateriale. Conoscere i meccanismi alla base della vita cellulare, dove l ossigeno ricopre un ruolo da protagonista, risulta essenziale in ambito medico-scientifico, in particolare per lo sviluppo dell ingegneria tissutale, un campo interdisciplinare che applica i principi dell ingegneria e delle scienze della vita allo sviluppo di sostituti biologici per ristabilire, mantenere o migliorare la funzione di tessuti e organi danneggiati. Risulta quindi di particolare interesse svolgere esperimenti allo scopo di ottenere il maggior numero di informazioni possibili riguardanti l attività cellulare e la sua dipendenza dall ossigeno. In questa attività ci si pone come obiettivo la valutazione dell interazione tra una linea di cellule ambienti a diversa concentrazione di ossigeno. Nel caso in cui si sia scelto di introdurre nel prototipo di bioreattore anche stimolazioni meccaniche, si dovranno considerare quali sistemi hardware risulteranno essere ottimali per la crescita e sviluppo di tessuti ex-novo e l ingegnerizzazione del processo di coltura cellulare per la rigenerazione tessutale. Secondo quanto detto, è richiesto di valutare con particolare attenzione quale scelta possa considerarsi ottimale per l implementazione di un circuito di bioreattore da impiegare per la rigenerazione di tessuti ingegnerizzati. Riassumendo, in questa seconda attività saranno previsti i seguenti tasks: i. Studio e sviluppo del modello idrodinamico all interno del bireattore. ii. Analisi e quantificazione del consumo di ossigeno all interno del sistema di bioreattore, tramite l impiego di opportuna sensoristica. iii. Progettazione e valutazione di un sistema hardware (motori per stimolazione meccanica) ottimale per la rigenerazione ex vivo di tessuti ingegnerizzati. Attività 3: 4

5 Questa attività nasce dalla necessità di rendere automatizzate e immuni da errori umani le procedure legate alla fase sperimentale dell attività sviluppate nella prima e seconda fase. Innanzitutto sarà richiesto di implementare una opportuna interfaccia user-friendly software per la gestione del sistema di bioreattore prototipo implementato nelle attività precedenti. Per raggiungere tale scopo. Nel caso in cui venga usata una pompa peristaltica come driving force del sistema bioreattoristico, ovvero un apparecchio che applica il principio della peristalsi, si potrà prevedere un collegamento via cavo seriale al computer dedicato, in modo da gestire la pompa direttamente da modalità digitale. Nello specifico, la GUI dovrà essere implementata in modo da poter inserire le velocità del flusso di coltura circolante all interno del bioreattore, la durata desiderata di ogni ciclo sperimentale, il calibro dei tubi impiegati nel circuito. Dovrà essere possibile gestire, anche in maniera semiautomatica, il cambio del mezzo di coltura, ossia impostare le fasi di riempimento e svuotamento del contenitore del fluido. Se richiesto, potranno essere impiegate anche elettrovalvole, opportunamente gestite via software da una unità dedicata. L interfaccia potrà essere implementata con opportuni bottoni che permettono all utente di interagire con la pompa; in particolare dovrà essere consentito di far partire la pompa (START) e con essa l esperimento, di fermarla (STOP), di invertire la direzione del flusso, etc. L utente finale deve anche poter le informazioni principali sullo stato attuale dell esperimento. Per esempio, dovranno essere forniti nell interfaccia il tempo trascorso dall inizio dell esperimento (in ore minuti e secondi), la fase di stimolazione (In/out/statica), se l esperimento si è concluso correttamente o a causa di un intervento volontario del ricercatore. Tale attività permetterà quindi una più facile conduzione di una fase sperimentale che altrimenti richiederebbe un continuo intervento da parte del personale di ricerca sugli strumenti di laboratorio. Inoltre, una procedura più automatizzata e digitalizzata in linea di principio permetterà di ridurre i possibili rischi di fallimento causati dalla interazione umana con apparecchi e strumentazione dedicata (pompe, sensori, valvole,..). Inoltre sarà ottimizzata la riproducibilità sperimentale. Riassumendo, in questa seconda attività saranno previsti i seguenti tasks: i. Studio e sviluppo di un software per la gestione semi-automatica degli esperimenti di coltura cellulare tramite l utilizzo del bioreattore. ii. Definizione e sviluppo di una opportuna interfaccia 5

6 iii. Validazione dell applicativo software. 6