• dynamic in vitro culture
• epithelial intestinal cells
• cellule intestinali epiteliali
• human gut microbiota
• coltura dinamica in vitro
• intestinal peristalsis system
• sistema di peristalsi intestinale
• microbiota intestinale umano

The human gut microbiota (HGM) is a vast and complex community of microorganisms that inhabits the digestive tract and lives in symbiosis with the host. Disrupting its homeostasis causes a state of dysbiosis associated with a wide variety of diseases. Therefore, it is essential to develop methods and devices mimicking in-vitro the in-vivo physiological gut conditions where the HGM interacts with intestinal cells. Peristalsis plays a central role in gut physiology and consists of two main mechanical components: multi-axial strain and fluid shear. However, currently available devices fail to comprehensively reproduce the specific mechanical stimuli of the gut. This work aims at filling this gap with the design and fabrication of a tunable system for the integration of in-vivo-like peristaltic movements in dynamic in-vitro cultures. The whole device includes a bioreactor, connected to a peristaltic pump, and a peristalsis system, driven by a pneumatic circuit. The experimental tests with the device proved its ability to perform the dynamic fermentation of the HGM showing the not negligible impact that peristalsis has on it. The system’s compatibility with eukaryotic cells was first evaluated in terms of shear stress and oxygen level by numerical simulations, and then confirmed with Caco-2 cell culture tests. The system is a promising tool for evaluating the effects of peristalsis on HGM and eukaryotic cells thanks to its scalability and versatility.


Il microbiota intestinale umano (MIU) è una vasta e complessa comunità di microrganismi che abitano il tratto intestinale e vivono in simbiosi con l'ospite. L’interruzione della sua omeostasi provoca uno stato di disbiosi associato a numerose malattie. È quindi essenziale sviluppare metodi e dispositivi che imitino in-vitro le condizioni fisiologiche dell'intestino in cui il MIU interagisce con le cellule. La peristalsi svolge un ruolo centrale nella fisiologia intestinale e consiste di due componenti meccaniche principali: deformazione multi-assiale e taglio fluido. Tuttavia, i dispositivi attualmente disponibili non riescono a riprodurre fedelmente tali stimoli meccanici. Questo lavoro mira a colmare tale lacuna con la realizzazione di un sistema per l'applicazione di movimenti peristaltici in colture dinamiche in-vitro. L'intero dispositivo comprende un bioreattore, collegato a una pompa peristaltica, e un sistema di peristalsi azionato da un circuito pneumatico. I test sperimentali compiuti hanno dimostrato l'impatto non trascurabile che la peristalsi ha sulla fermentazione dinamica del MIU. La compatibilità del sistema con cellule eucariotiche è stata valutata in termini di sforzo di taglio e livello di ossigeno tramite delle simulazioni numeriche, e confermata successivamente con la coltura di cellule Caco-2. Il sistema, grazie alla sua versatilità, è uno strumento promettente per valutare gli effetti della peristalsi sia sul MIU che su cellule eucariotiche.