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Negli ultimi anni si è assistito ad una vera e propria rivoluzione dal punto di vista tecnologico. Questa rivoluzione ha portato a notevoli cambiamenti nelle metodiche di testing biologico e cellulare. Basti pensare all’avvento delle nuove metodologie di analisi High Throughput, grazie alle quali è oggi possibile eseguire esperimenti in tempi molto brevi, estraendo da questi molti dati.
Purtroppo non siamo ancora riusciti ad eliminare una delle piaghe della ricerca medico biologica: la sperimentazione animale; si stima che, nel mondo intero, vengano uccisi ogni anno almeno 300 milioni di esemplari. Appurato che, al giorno d’oggi, la sperimentazione animale è indispensabile per la ricerca, è dovere della comunità scientifica lavorare affinché si riesca a ridurre il numero di cavie animali immolate.
In questo contesto si inserisce perfettamente il presente lavoro di tesi, che si prefigge lo scopo di ottimizzare un bioreattore High Throughput al fine di trasformarlo da prototipo in fase di testing, a macchinario finito e commercializzabile.
Nel 2000, presso il Centro Interdipartimentale di Ricerca E.Piaggio, è stato realizzato il primo prototipo di bioreattore capace di controllare la pressione, il flusso, la temperatura ed il pH di una coltura cellulare in modo automatico e per intervalli di tempo prolungati.
Questo bioreattore permette inoltre l’osservazione delle colture cellulari sotto microscopio, in quanto non necessita di essere inserito in un incubatore per il mantenimento delle variabili ambientali necessarie alla sopravvivenza della coltura cellulare.
Durante questo lavoro di tesi si è provveduto ad una completa ristrutturazione di questo prodotto, al fine di renderlo un sistema di coltura e testing cellulare commercializzabile e utilizzabile anche da utenti non aventi conoscenze di tipo ingegneristico.
Si è provveduto all’ottimizzazione della camera di miscelazione e del sistema di riscaldamento del terreno che, grazie alle nuove modifiche, sono diventati perfettamente compatibili con le nuove metodologie di analisi High Througput.
E’ stato realizzato un sistema di riscaldamento capace di mantenere in temperatura contemporaneamente 4 camere di miscelazione con l’utilizzo di un unico bagnetto termostatico, così da risparmiare sugli spazi necessari per l’installazione del sistema.
La grande innovazione apportata durante questo lavoro è, però, nel sistema di controllo del bioreattore; in precedenza l’intero apparato era controllato mediante una scheda di acquisizione dati della National Instruments collegata ad un PC. Nel nuovo bioreattore la scheda National Instruments è stata sostituita con una scheda di controllo Wildfire, capace di controllare in modo autonomo il bioreattore che adesso non necessita più di un PC dedicato, ma può essere collegato alla rete Ethernet.
L’esperimento verrà osservato poi mediante un’apposita interfaccia anch’essa sviluppat nel corso di questo lavoro di tesi.
La suddetta modifica ha portato a dover completamente riscrivere il software di controllo e gestione del bioreattore. È stato scritto quindi un vero e proprio sistema operativo per la scheda di controllo Wildfire.
Questo sistema operativo è stato realizzato utilizzando una libreria di controllo per robot, il Robotics4.NET, sviluppata dal Dipartimento di Informatica dell’Università di Pisa.
Sarà possibile, mediante il nuovo sistema, condurre contemporaneamente esperimenti su più bioreattori, simulando così varie cavie, permettendo quinid una riduzione dei soggetti animali necessari alla sperimentazione nonchè un naumento delle performance dei test di laboratorio.
Attualmente i test cellulari vengono condotti in ambiente statico; questo approccio di coltivazione è in realtà una vaga approssimazione della realtà biologica, che le colture dovrebbero rappresentare. Questa approssimazione rende molto difficile l’esportazione dei dati ricavati dalle colture cellulari ai tessuti in vivo e quindi all’uomo. Grazie al nuovo sistema di bioreattore High Throughput sarà invece possibile effettuare colture cellulari sottoponendole a regimi dinamici tipici dei tessuti in vivo, con un conseguente aumento dell’attendibilità degli esperimenti svolti.