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I N T R O D U Z I O N E
Il presente lavoro di Tesi si propone l’obiettivo di sviluppare alcuni modelli in silico per la simulazione del comportamento metabolico di sistemi di colture cellulari connesse in condizioni dinamiche.
La linea-guida seguita durante l’elaborazione del percorso qui descritto, è stata quella tracciata dal titolo di una nota pubblicazione nell’ambito della Biologia dei Sistemi: “From in vivo to in silico biology and back”, ovvero “il viaggio dalla biologia in vivo verso la biologia in silico ed il ritorno alla vita reale”, nell’ottica di un’opportuna e proficua integrazione dei recenti modelli computazionali e del più tradizionale approccio sperimentale.
Al centro dello studio effettuato, è stato posto il compartimento viscerale umano con attenzione al peculiare metabolismo energetico (glucidico, lipidico, degradazione degli amminoacidi e funzioni sintetiche distintive); per tale sistema è già stato elaborato un modello biologico in vitro presente in letteratura. Quest’ultimo è costituito da tre camere distinte, ognuna per un fenotipo cellulare diverso (epatociti, cellule endoteliali, adipociti), connesse tra loro in serie; nelle tre celle di coltura è fatto fluire continuamente, a circuito chiuso, il mezzo di coltura: si tratta, quindi, di un sistema sottoposto a condizioni dinamiche. Il tutto è opportunamente collegato a una pompa e ad una camera di mixing per l’ossigenazione del terreno (elementi, questi ultimi, non riprodotti in silico).
I fenomeni biologici di maggior interesse per l’analisi condotta, sono stati l’omeostasi metabolica ed il raggiungimento di questa attraverso gli effetti del cross-talk intercellulare. Con il termine omeostasi ci si riferisce al concetto di “fixité du milieu intérieur” formulato alla fine del XIX secolo dal fisiologo francese Claude Bernard. Con questa espressione si è cercato di descrivere, nel complesso, la capacità propria degli organismi viventi, di mantenere un equilibrio interno delle condizioni-chimico-fisiche, nonostante il variare delle condizioni esterne. Il mantenimento del bilancio
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energetico sistemico è assicurato da organi-chiave, dislocati nel corpo, interagenti e connessi tramite la rete vascolare, via di comunicazione essenziale per il signalling metabolico tra i tessuti (cross-talk intercellulare). Al di là della regolazione ormonale, l’interazione tra i tessuti è mediata anche dai metaboliti stessi, persino in assenza di insulina e glucagone.
Sono stati così selezionati tre organi o tessuti con funzioni fondamentali per la realizzazione del processo suddetto: il tessuto epatico, il tessuto endoteliale ed il tessuto adiposo. Lo scopo è stato, dunque, quello di ricreare un modello in silico caratterizzato dalla coesistenza e dall’integrazione dei profili metabolici delle diverse tipologie cellulari coinvolte nel sistema di riferimento. Questo modello è stato concepito in modo tale che, mediante l’implementazione dei pathway metabolici e delle condizioni di coltura implicate (stimoli biochimici, come la composizione del terreno di coltura, e meccanici, come la presenza di un valore di shear-stress non nullo), fosse in grado di riprodurre nelle singole parti e nell’insieme, i comportamenti biologici osservati in vivo ed in vitro, compreso il conseguimento dell’omeostasi metabolica.
Il primo capitolo dell’elaborato scritto è dedicato all’introduzione del concetto di biologia in silico e delle metodologie generalmente applicate per la definizione di modelli matematici di sistemi biologici o fisiologici.
Il sistema fisiologico di riferimento per la definizione del modello computazionale ed i modelli precedentemente elaborati cui porre attenzione, sono stati ampiamente discussi nel secondo capitolo della relazione.
Il terzo capitolo riguarda, invece, la procedura metodologica applicata per l’implementazione del modello finale.
Infine, è stata eseguita la validazione del modello, partendo dalle monocolture condotte in condizioni statiche e dinamiche ed introducendo opportuni fattori correttivi per simularne la differenza, fino ad arrivare al sistema costituito dalle tre tipologie cellulari esaminate. Tale fase è stata oggetto del quarto ed ultimo capitolo.
I risultati ottenuti sono stati discussi, anche con scopi inferenziali riguardanti i possibili meccanismi alla base del fenomeno di omeostasi metabolica esaminato.
