Bando PMI: “Miniaturised Multi- parameter Cell Analysis – ASTRALAB”

Bando PMI: “Miniaturised Multiparameter Cell Analysis –
ASTRALAB”
Roma - ASI, 14 Marzo 2014
ASTRALAB
Un innovativo laboratorio in scala per l’osservazione e caratterizzazione continuativa
di colture biologiche – ASTRALAB - e’ stato progettato e realizzato con successo da
Advanced Computer Systems (ACS) e Phoenix Rto nell’ambito del “Bando ASI
Materiali, Componenti, Sensori per le PMI”. Il progetto si è avvalso del contributo di
importanti partner scientifici – i biologi del dipartimento “P. Valdoni”
dell’Università la Sapienza di Roma e l’unità di ricerca BIO-MEMS della
Fondazione Bruno Kessler (FBK) – per l’ideazione e realizzazione del sistema labon-a-chip.
La stazione di lavoro e’ basata su tre componenti principali:
•
Lab-on-a-chip, constituito da matrici di microreattori integrati con miclofluidica
adatto ad ospitare e sviluppare differenti tipologie di colture cellulari
•
Sistema di microscopia ottica per la ripresa in continuo di immagini delle colture
cellulari
•
Sofisticato SW di analisi morfometrica capace di estrarre numerosi descrittori
della morfologia cellulare (es. descrittori frattali) al fine di caratterizzare in tempo
reale l’evoluzione delle linee cellulari in risposta ai trattamenti farmacologici e
biologici effettuati
C
Decomposizione HW
Giga-ethernet
Personal Computer
Schema Fisico
Acquisition systems
Digital Camera
Lab-on-Chip &
Microfluidic
H.disk
USB port
LAYOUT DEL SISTEMA DI ACQUISIZIONE
Telecamera
Ottica telecentrica
BioMEMS
Disegno d’ingombro del sistema di acquisizione
Riepilogo intero programma
•KO del progetto 10/06/2911
E’ stata presentata ed accettata da ASI una proroga al
contratto [RP] di 6 mesi . La proroga ha permesso di
migliorare il sistema HW (messa a fuoco del sistema
ottico e operatività del lab-on-a-chip).
•La FR si e’ svolta il 14/06/1013.
Esempio di validazione funzionale
Tracking delle cellule: frame 1/2
Esempio di validazione funzionale
Tracking delle cellule: frame 2/4
Esempio di validazione funzionale
Plot della Bending Energy
Illustrazione dei risultati dei test
La validazione dei contenuti scientifici è stata svolta dall’Istituto Pietro
Valdoni Università di Roma "La Sapienza”.
Una approfondita validazione scientifica e funzionale ha evidenziato le
potenzialità di ASTRALAB per lo studio degli effetti della microgravità - creata
in laboratorio attraverso la Random Positioning Machine (RPM) - sulla vitalità
e funzionalità delle colture cellulari.
In particolare, si è proceduto con un’analisi e validazione dei dati ottenuti con
il nuovo sistema confrontando tali risultati con i dati ottenuti con le metodiche
tradizionali.
Gli scenari di validazione svolti sono i seguenti:
• Esecuzione di test biologici in condizioni di coltura cellulare standard
(on-ground).
• Esecuzione di test di verifica sulle medesime colture con vitalità e
funzionalità cellulare alterate in maniera controllata (microgravità
mediante RPM).
Illustrazione dei risultati dei test
• Il confronto per la validazione dei dati, ha permesso di studiare la
correlazione fra i risultati ottenuti mediante metodiche tradizionali e il nuovo
sistema di misura (lab-on-a-chip)
•I risultati ottenuti sui vari pozzetti del lab-on-a-chip sono tra di loro concordi,
permettendo di verificare la ripetibilità della misura e l’assenza di falsi
negativi.
• E’ stato verificato che le cellule su lab-on-a-chip presentano una
crescita/morte cellulare simile a quella mostrata su un supporto tradizionale:
la variazione della numerosità cellulare nel corso dell’esperimento (tempo) è
simile nelle due metodiche studiate
Assessment tecnologico
Il sistema ASTRLAB presenta molteplici caratteristiche adatte per un
ulteriore sviluppo innovativo in ambito spaziale (es. a bordo della ISS):
•
misure continuative (acquisizioni di microscopia ottica e misure
ausiliare di PH e temperatura) in maniera completamente automatica
•
esperimenti di lunga durata in maniera automatica e senza
intervento umano grazie al programmabile ed automatizzato del ricambio del
mezzo di coltura
•
studio in parallelo di differenti colture cellulari o la stessa coltura
cellulare sottoposta a differenti trattamenti biologico/farmaceutico
•
limitato quantitativo di cellule e reattivi da utilizzare grazie alle
dimensioni ridotte del sistema.
•
SW di elaborazione semi-automatico per la caratterizzazione
quantitativa della morfologia cellulare
Assessment tecnologico
Il sistema proposto trova molteplici applicazioni anche on-ground.
Una applicazione di elevato interesse consiste nell’individuazione del miglior
trattamento chemioterapico di specifiche linee cellulari cancerogene,
attraverso l’utilizzo di particolari “features” (caratteristiche) morfometriche
in grado di caratterizzare il grado tumorale di numerose tipologie di cellule
neoplastiche. In particolare, il sistema descritto svolge due attività principali:
•simulazione del trattamento chemioterapico su colture derivate dalle cellule
tumorali del paziente;
•pianificazione personalizzata della somministrazione del mix di farmaci; a
partire da parametri e protocolli definiti, il sistema provvede in automatico ad
alimentare le diverse colture cellulari tumorali del paziente per individuare il
mix di farmaci più efficace attraverso il costante controllo delle
modificazioni morfometriche.
La personalizzazione del trattamento chemioterapico dovrebbe garantire un
duplice vantaggio: una maggiore efficacia del trattamento stesso e, nel
contempo, assicurare un maggior controllo degli effetti collaterali.