An EIT system for advanced biohybrid engineered tissue imaging

L’ingegneria dei tessuti biologici (TE) permette di sviluppare in laboratorio dei costrutti biologici 3D che possano essere utilizzati sia per riparare i tessuti naturali sia come modelli per studi in-vitro. In quest’ultimo caso, il vantaggio portato dalla TE consiste nella possibilità di avere costrutti biologici con caratteristiche e dinamiche di crescita equivalenti a quelle delle loro controparti naturali. L’attuale protocollo standard di monitoraggio e studio dei costrutti di TE è basato su tecniche istologiche distruttive che permettono di realizzare solo studi inferenziali. La possibilità di monitorare la vitalità e il fenotipo cellulare nonché le proprietà strutturali in maniera non distruttiva, dunque in momenti progressivi della crescita di un singolo costrutto, porterebbe dei considerevoli vantaggi nello studio del processo maturativo. Le principali tecniche di imaging non distruttivo che si possono applicare in questo contesto sono la risonanza magnetica (MRI), la tomografia computerizzata (CT), e la tomografia di impedenza elettrica (EIT). Quest’ultima permette di monitorare il costrutto cellulare utilizzando elettrodi distribuiti sulla superficie del tank che lo contiene e ricostruire la distribuzione di conducibilità elettrica interna a partire dalle tensioni misurate. L'EIT è una tecnica non invasiva, a basso costo, priva di radiazioni e con un'alta risoluzione temporale. L’EIT è la tecnica più adatta ad essere integrata nei bioreattori ma è attualmente limitata in termini di risoluzione spaziale e sensitività. La bassa risoluzione spaziale è dovuta ad un mix di fattori quali il numero limitato di misure indipendenti e la mancanza di ottimizzazione del protocollo di stimolo, mentre la limitata sensitività è legata ai valori di corrente usati come eccitazione, la configurazione e posizionamento degli elettrodi, e il rapporto segnale-rumore dei circuiti utilizzati. Oltre ai limiti della strumentazione, dal punto di vista matematico, la ricostruzione delle conduttività EIT risponde a una formulazione inversa, non lineare e altamente mal posta. Il processo di generazione dei dati (forward) è descritto da un modello Finite Element Method (FEM), mentre il processo di ricostruzione (backward) è definito da un modello variazionale non lineare che necessita di regolarizzazione. A causa della mal posizione intrinseca del problema, l’EIT rappresenta una sfida matematica aperta a nuovi modelli variazionali e opportune tecniche numeriche di ottimizzazione e modellizzazione differenziale. Questo progetto di ricerca mira a studiare e sviluppare un sistema EIT che possa superare gli attuali limiti di accuratezza e risoluzione e che possa essere integrato facilmente in un bioreattore per il monitoraggio in-linea della vitalità cellulare.