Il decremento delle nascite ed il corrispettivo incremento della vita media in Europa ha prodotto un aumento notevole dei costi per la cura e l'assistenza agli anziani, incidendo sulle economie nazionali. Una vita dignitosa e senza sofferenze è diritto di tutti, ma la mancanza di conoscenze sulla progressiva degenerazione a livello sistemico, cellulare e tissutale con l'avanzare dell'età, attualmente non permette di monitorare i processi legati all'invecchiamento. L'invecchiamento è oggetto di ricerca in migliaia di laboratori ed è studiato a livello genetico, biochimico, biologico ed epigenetico e in vivo in modelli animale. La maggior parte dei modelli di invecchiamento a livello cellulare si basa su esperimenti in vitro; i modelli animale sono molteplici e spaziano dai pesci ai primati non umani. L'invecchiamento non è un processo che coinvolge solo la singola cellula, ma è anche associato a cambiamenti del microambiente fisiologico, ad alterazioni del livello di comunicazione fra le cellule e fra tessuti/organi distanti e a problemi di degradazione sistemica, come osteoporosi, disfunzioni cardiovascolari e degenerazioni cognitive. Esiste peraltro un gap nella nostra conoscenza fra i modelli cellulari e animali per quanto riguarda l'invecchiamento sistemico ed extra-cellulare. Il progetto MIND si propone di sopperire all'attuale mancanza di un modello per lo studio delle condizioni fisiologiche connesse all'invecchiamento, sviluppando, attraverso le tecnologie avanzate della bioingegneria, modelli dinamici in vitro, in grado di riprodurre le condizioni fisio-patologiche di un tessuto invecchiato, rispettando al contempo il principio delle 3 R (“Replacement, Refinement, Reduction”) dei test animali. La multidisciplinarietà del consorzio, composto principalmente da bioingegneri, affiancati da clinici, biologi, esperti in aspetti regolatori della sanità, fisici ed ingegneri elettronici, consentirà di integrare le conoscenze, per progettare, modellare, realizzare e caratterizzare nuovi sistemi per lo studio in vitro dell'invecchiamento e dei processi di degradazione legati all'età, con particolare riferimento a 4 tipi di tessuto: cardiaco, osseo, epiteliale e neurale. Nel dettaglio, saranno progettati scaffold biomimetici in grado di riprodurre le caratteristiche morfologiche, biochimiche e meccaniche della matrice extracellulare cardiaca ed ossea, a due diversi livelli di invecchiamento (tessuto giovane ed invecchiato), che saranno rispettivamente popolati con cellule cardiache ed ossee e coltivati in bioreattori tessuto-specifici, appositamente progettati. Per la realizzazione di un modello in vitro per l'invecchiamento cerebrale, reti neuronali corticali saranno accoppiate a matrici di microelettrodi standard e ad alta densità o, in alternativa, a transistor organici ad effetto di campo, per l'elettrofisiologia e la registrazione dell'attività metabolica. I sistemi verranno integrati in bioreattori a membrana per l'ottenimento di un modello di barriera ematoencefalica accoppiato ad un modello del sistema nervoso centrale. Il modello dinamico di barriera epiteliale utilizzerà membrane semipermeabili attuate per simulare il movimento peristaltico. Cellule epiteliali intestinali saranno seminate sulle membrane costituite da attuatori elastomerici dielettrici, dopo averne ottimizzato la biocompatibilità, integrato elettrodi con geometrie particolari edapplicato specifici profili di tensione per permettere di variare la cedevolezza e imporre movimenti ritmici. Inoltre, verranno progettati e sviluppati bioreattori con apposite camere per alloggiare le membrane. Le sperimentazioni saranno guidate da opportuni modelli in silico cellulari genico-metabolici, da modelli di fluidodinamica computazionale e da modelli meccanici. I tessuti modello sviluppati nel progetto saranno caratterizzati tramite analisi istologica, meccanica ed eventuali misure elettrofisiologiche e opportunamente validati.Essi permetteranno di valutare la suscettibilità dei tessuti senescenti a danni ossidativi, condizioni ipossiche, presenza di citochine pro-infiammatorie e di nanoparticelle. In conclusione, il progetto rappresenta un primo passo verso l'obiettivo a lungo termine di disporre di modelli biomimetici di tessuti, per lo studio di condizioni patologiche e lo sviluppo di strategie di cura, riducendo la sperimentazione animale e clinica ed i tempi e i costi associati. Gli obiettivi saranno raggiunti tramite lo sforzo complessivo di circa 600 mesi-persona (personale strutturato,docente e tecnico, assegnisti di ricerca e dottorandi) di 11 unità di ricerca nazionali. Le risorse sono state assegnate tenendo in considerazione l'impegno dei singoli partner per il raggiungimento dei risultati e il loro ruolo, con particolare riferimento al coordinamento di WP o dell'intero progetto (quest'ultimo a carico delle unità POLITO e UNIPI) e anche alla collaborazione a costo zero delle numerose unità internazionali coinvolte.
Fraboni, B. (In stampa/Attività in corso). MIND: Engineering physiologically and pathologically relevant organ Models for the INvestigation of age related Diseases.
MIND: Engineering physiologically and pathologically relevant organ Models for the INvestigation of age related Diseases
FRABONI, BEATRICE
In corso di stampa
Abstract
Il decremento delle nascite ed il corrispettivo incremento della vita media in Europa ha prodotto un aumento notevole dei costi per la cura e l'assistenza agli anziani, incidendo sulle economie nazionali. Una vita dignitosa e senza sofferenze è diritto di tutti, ma la mancanza di conoscenze sulla progressiva degenerazione a livello sistemico, cellulare e tissutale con l'avanzare dell'età, attualmente non permette di monitorare i processi legati all'invecchiamento. L'invecchiamento è oggetto di ricerca in migliaia di laboratori ed è studiato a livello genetico, biochimico, biologico ed epigenetico e in vivo in modelli animale. La maggior parte dei modelli di invecchiamento a livello cellulare si basa su esperimenti in vitro; i modelli animale sono molteplici e spaziano dai pesci ai primati non umani. L'invecchiamento non è un processo che coinvolge solo la singola cellula, ma è anche associato a cambiamenti del microambiente fisiologico, ad alterazioni del livello di comunicazione fra le cellule e fra tessuti/organi distanti e a problemi di degradazione sistemica, come osteoporosi, disfunzioni cardiovascolari e degenerazioni cognitive. Esiste peraltro un gap nella nostra conoscenza fra i modelli cellulari e animali per quanto riguarda l'invecchiamento sistemico ed extra-cellulare. Il progetto MIND si propone di sopperire all'attuale mancanza di un modello per lo studio delle condizioni fisiologiche connesse all'invecchiamento, sviluppando, attraverso le tecnologie avanzate della bioingegneria, modelli dinamici in vitro, in grado di riprodurre le condizioni fisio-patologiche di un tessuto invecchiato, rispettando al contempo il principio delle 3 R (“Replacement, Refinement, Reduction”) dei test animali. La multidisciplinarietà del consorzio, composto principalmente da bioingegneri, affiancati da clinici, biologi, esperti in aspetti regolatori della sanità, fisici ed ingegneri elettronici, consentirà di integrare le conoscenze, per progettare, modellare, realizzare e caratterizzare nuovi sistemi per lo studio in vitro dell'invecchiamento e dei processi di degradazione legati all'età, con particolare riferimento a 4 tipi di tessuto: cardiaco, osseo, epiteliale e neurale. Nel dettaglio, saranno progettati scaffold biomimetici in grado di riprodurre le caratteristiche morfologiche, biochimiche e meccaniche della matrice extracellulare cardiaca ed ossea, a due diversi livelli di invecchiamento (tessuto giovane ed invecchiato), che saranno rispettivamente popolati con cellule cardiache ed ossee e coltivati in bioreattori tessuto-specifici, appositamente progettati. Per la realizzazione di un modello in vitro per l'invecchiamento cerebrale, reti neuronali corticali saranno accoppiate a matrici di microelettrodi standard e ad alta densità o, in alternativa, a transistor organici ad effetto di campo, per l'elettrofisiologia e la registrazione dell'attività metabolica. I sistemi verranno integrati in bioreattori a membrana per l'ottenimento di un modello di barriera ematoencefalica accoppiato ad un modello del sistema nervoso centrale. Il modello dinamico di barriera epiteliale utilizzerà membrane semipermeabili attuate per simulare il movimento peristaltico. Cellule epiteliali intestinali saranno seminate sulle membrane costituite da attuatori elastomerici dielettrici, dopo averne ottimizzato la biocompatibilità, integrato elettrodi con geometrie particolari edapplicato specifici profili di tensione per permettere di variare la cedevolezza e imporre movimenti ritmici. Inoltre, verranno progettati e sviluppati bioreattori con apposite camere per alloggiare le membrane. Le sperimentazioni saranno guidate da opportuni modelli in silico cellulari genico-metabolici, da modelli di fluidodinamica computazionale e da modelli meccanici. I tessuti modello sviluppati nel progetto saranno caratterizzati tramite analisi istologica, meccanica ed eventuali misure elettrofisiologiche e opportunamente validati.Essi permetteranno di valutare la suscettibilità dei tessuti senescenti a danni ossidativi, condizioni ipossiche, presenza di citochine pro-infiammatorie e di nanoparticelle. In conclusione, il progetto rappresenta un primo passo verso l'obiettivo a lungo termine di disporre di modelli biomimetici di tessuti, per lo studio di condizioni patologiche e lo sviluppo di strategie di cura, riducendo la sperimentazione animale e clinica ed i tempi e i costi associati. Gli obiettivi saranno raggiunti tramite lo sforzo complessivo di circa 600 mesi-persona (personale strutturato,docente e tecnico, assegnisti di ricerca e dottorandi) di 11 unità di ricerca nazionali. Le risorse sono state assegnate tenendo in considerazione l'impegno dei singoli partner per il raggiungimento dei risultati e il loro ruolo, con particolare riferimento al coordinamento di WP o dell'intero progetto (quest'ultimo a carico delle unità POLITO e UNIPI) e anche alla collaborazione a costo zero delle numerose unità internazionali coinvolte.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
