ETD

• bioengineering in vitro platform
• human gut microbiota
• human intestinal epithelium
• in vitro models
• peristalsis system

The human gut is a complex ecosystem and its recapitulation in vitro remains challenging. State-of-the-art systems fail to fully reproduce the kinematics of gut motility, resulting in suboptimal models of the intestinal function. This PhD research aims at overcoming this bottleneck through the design, development, and validation of a novel millifluidic bioengineering platform that recapitulates key features of the intestinal environment, including physiological peristalsis and fluidic shear stress, for relevant gut microbiota or intestinal epithelium in vitro models. The system features a pneumatic-driven peristalsis system, a flexible culture chamber, a custom-designed scaffold supporting the in vitro cultures, the possibility to monitor key environmental parameters, and the ability to generate and maintain hypoxic conditions. The system was then validated. Specifically, its ability to generate biomimetic models of the human gut microbiota under a combined flow-peristalsis stimulation and establish a relevant intestinal epithelium model for in vitro applications was demonstrated. Additionally, preliminary indirect co-culture tests assessed the ability of microbial secretomes to support epithelial viability and metabolic activity. Collectively, this work contributes to the research field by providing a versatile, modular, millifluidic bioreactor establishing both microbial and epithelial biomimetic in vitro models through the application of relevant biomechanical stimuli.

L'intestino umano è un ecosistema complesso e la sua riproduzione in vitro rimane una sfida. I sistemi disponibili non riescono a riprodurre completamente la motilità intestinale, generando modelli non ottimali. Questa ricerca di dottorato mira a superare questo limite attraverso la progettazione, sviluppo e validazione di una nuova piattaforma bioingegneristica che riproduca le caratteristiche chiave dell'ambiente intestinale (peristalsi e stress di taglio dovuto al flusso del contenuto intestinale) per modelli in vitro rilevanti di microbiota o di epitelio intestinale. La piattaforma comprende un sistema di peristalsi, una camera di coltura flessibile, uno scaffold dedicato per supportare le colture in vitro e consente di monitorare i parametri ambientali e generare e mantenere condizioni ipossiche. Test sperimentali hanno dimostrato la capacità della piattaforma di generare modelli biomimetici di microbiota intestinale attraverso l’applicazione di flusso e peristalsi e di stabilire un modello di epitelio intestinale rilevante per applicazioni in vitro. Inoltre, test preliminari di co-coltura indiretta hanno mostrato la capacità dei secretomi microbici di supportare vitalità ed attività metabolica epiteliale. Questo lavoro contribuisce al campo della ricerca sull’intestino umano fornendo un bioreattore millifluidico versatile e modulare che stabilisce modelli in vitro microbici ed epiteliali biomimetici attraverso l'applicazione di stimoli biomeccanici rilevanti.