MIND: Engineering physiologically and pathologically relevant organ Models for the INvestigation of age related Diseases

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 \ue8 diritto di tutti, ma la mancanza di conoscenze sulla progressiva degenerazione a livello sistemico, cellulare e tissutale con l'avanzare dell'et\ue0, attualmente non permette di monitorare i processi legati all'invecchiamento. L'invecchiamento \ue8 oggetto di ricerca in migliaia di laboratori ed \ue8 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 \ue8 un processo che coinvolge solo la singola cellula, ma \ue8 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 (\u201cReplacement, Refinement, Reduction\u201d) dei test animali. La multidisciplinariet\ue0 del consorzio, composto principalmente da bioingegneri, affiancati da clinici, biologi, esperti in aspetti regolatori della sanit\ue0, fisici ed ingegneri elettronici, consentir\ue0 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'et\ue0, 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 densit\ue0 o, in alternativa, a transistor organici ad effetto di campo, per l'elettrofisiologia e la registrazione dell'attivit\ue0 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 utilizzer\ue0 membrane semipermeabili attuate per simulare il movimento peristaltico. Cellule epiteliali intestinali saranno seminate sulle membrane costituite da attuatori elastomerici dielettrici, dopo averne ottimizzato la biocompatibilit\ue0, 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 suscettibilit\ue0 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 unit\ue0 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 unit\ue0 POLITO e UNIPI) e anche alla collaborazione a costo zero delle numerose unit\ue0 internazionali coinvolte