Multiscale modeling of three-dimensional cell cultures for type 2 diabetes studies

The pressing needs related to the processes of drug and therapy development for diseases such as type 2 diabetes, have increased the demand for new technologies and protocols. In vitro models are extremely helpful for physiological and drug screening studies; however they are time consuming and expensive. A theoretical approach through mathematical modeling could help in the understanding of the biology of the system and to rationalize these experiments. The aim of this thesis has been the development of a multiscale and multidisciplinary approach to model three-dimensional cell and tissue culture. The final application was the rationalization of an ex vivo model of human adipose tissue to characterize the pathophysiological conditions of type 2 diabetes mellitus. Mathematical models were developed for describing cell culture in dynamic systems, aiming to analyze the effect of macroscopic variables on cell microenvironment properties and therefore on their fate. We investigated the role of experimental conditions like the flow rate and the culture chamber configuration on cell proliferation, and we tested the efficiency of a discontinuous management of cell cultures in a microfluidic chip. In addition, in a three-dimensional perfusion bioreactor, we studied the effect of heterogeneous culture conditions (within porous scaffolds) in the cell microenvironment on the cell growth. The model linked the macroscopic variables to the cell microenvironment properties predicting cell growth as a function of the experimental conditions and the scaffold pore size distribution. The effect of endogenous and exogenous factors on the intracellular processes was also investigated. In particular, we coupled the mass transport model to the insulin signaling pathways model, studying the influence of this hormone on the cell glucose metabolism. We finally proposed a mathematical model for the ex vivo human adipose tissue culture in a microfluidic platform, supporting the design and realization of the device itself. This system has been used for studying the tissue response to an insulin stimulation and the pathophysiological conditions of type 2 diabetes. These results show interesting applications for the experimental design and optimization of culture conditions, and they mark a step towards an efficient development of drug tests or therapies.

Le forti necessità legate allo sviluppo di farmaci e terapie per malattie quali il diabete di tipo 2, hanno portato alla crescente domanda di nuove tecnologie e protocolli. Modelli in vitro sono estremamente utili per studi fisiologici e screening farmacologici; tuttavia questi sono dispendiosi e richiedono molto tempo. Un approccio teorico attraverso la modellazione matematica può facilitare lo studio della biologia del sistema e aiutare nella razionalizzazione degli esperimenti. Lo scopo di questa tesi è stato lo sviluppo di un approccio multi-scala e multi-disciplinare per modellare colture tridimensionali cellulari e di tessuto. L’applicazione finale ha previsto la razionalizzazione di un modello ex vivo di tessuto adiposo umano con lo scopo di caratterizzare le condizioni fisiopatologiche del diabete di tipo 2. Modelli matematici sono stati sviluppati per descrivere colture cellulari in sistemi dinamici, al fine di analizzare l’effetto di variabili macroscopiche sulle proprietà del micro-ambiente e quindi sull’evoluzione cellulare. Abbiamo investigato il ruolo delle condizioni sperimentali, come ad esempio la portata e la configurazione della camera di coltura, e testato l’efficienza di una gestione discontinua delle colture cellulari in piattaforme microfluidiche. Inoltre, nel caso di un bioreattore a perfusione per colture cellulari tridimensionali, abbiamo studiato l’effetto di condizioni di coltura eterogenee nel micro-ambiente cellulare (a causa dello scaffold poroso) sulla crescita cellulare. Il modello relaziona le variabili macroscopiche alle proprietà del micro-ambiente cellulare predicendo la crescita in funzione delle condizioni sperimentali e della distribuzione della dimensione dei pori dello scaffold. In aggiunta è stato analizzato l’effetto di fattori endogeni ed esogeni sui processi intra-cellulari. In particolare, abbiamo integrato il modello di trasporto di materia con il modello per il signaling dell’insulina, studiando l’influenza di questo ormone sul consumo cellulare di glucosio. Infine, è stato proposto un modello matematico per descrivere la coltura ex vivo di tessuto adiposo umano in una piattaforma microfluidica per assistere nella fase di progettazione e realizzazione della piattaforma stessa. Questo sistema è stato utilizzato per studiare la risposta del tessuto sottoposto ad uno stimolo di insulina e le condizioni fisiopatologiche del diabete di tipo 2. Questi risultati hanno interessanti risvolti applicativi per la progettazione di esperimenti e l’ottimizzazione delle condizioni di coltura, segnando un passo in avanti verso lo sviluppo di terapie e tests farmacologici.