• bioreactor
• bioreattore
• coltura dinamica in vitro
• dynamic in vitro culture
• human gut microbiota
• microbiota intestinale umano
• sensing system
• sistema di sensing

Il tratto gastrointestinale è il distretto corporeo più densamente popolato da microrganismi e l'interazione simbiotica tra questa microflora e l'ospite è un elemento chiave nella determinazione dello stato di salute e/o malattia dell'individuo. Risulta pertanto fondamentale sviluppare metodi e dispositivi per lo studio del microbiota intestinale umano. Il lavoro di tesi prevede la progettazione e fabbricazione di un bioreattore sensorizzato per la cultura dinamica in vitro del microbiota intestinale umano. Grazie a test sperimentali, è stata dimostrata la capacità del dispositivo di promuovere e sostenere la fermentazione in dinamico del microbiota intestinale umano, monitorando costantemente ed in tempo reale pH, temperatura e concentrazione di ossigeno disciolto (OD) senza contaminazioni o danni al campione in coltura. In seguito, mediante simulazioni agli elementi finiti, è stato modellato l’andamento nel tempo della concentrazione di OD all’interno del bioreattore al variare del valore di alcuni parametri. Il confronto ed il best fit tra i risultati numerici ed i dati sperimentali hanno permesso infine di ottenere una definizione quantitativa di parametri cruciali per il campione di microbiota intestinale, come il tasso di consumo di ossigeno.
Il lavoro, insieme agli sviluppi futuri, permetterà di ampliare le conoscenze sul microbiota intestinale umano, sui parametri della sua attività metabolica e sul suo impatto sullo stato di salute e malattia dell'individuo.

The gastrointestinal tract is the most heavily microorganism-populated body district and the symbiotic interaction between this microflora and the host is a key element for the state of health and disease of the individual. Therefore, it is paramount to develop methods and devices for the study of the human gut microbiota. In this work, a sensorized bioreactor for the dynamic in vitro culture of human gut microbiota was designed and fabricated. The experimental tests with the device proved its ability to perform the dynamic fermentation of the human gut microbiota while continuously monitoring pH, temperature and dissolved oxygen (DO) concentration without contaminating or damaging the cultured sample. The change in DO concentration over time within the bioreactor was then modeled with finite element simulations in response to varying values of certain parameters. The best fit between the simulations’ numerical results and the experimental data enabled the quantitative definition of crucial parameters of the gut microbiota sample, such as Oxygen Consumption Rate.
This work and its future developments will allow gaining insights into the human intestinal microbial environment, the parameters of its metabolic activity and its role on the state of health and disease of the host.