Dinamica dei fluidi nei sistemi Organ-on-a-Chip

Negli ultimi anni, i sistemi organ-on-a-chip (OOC) hanno attirato l'attenzione per la loro capacità di imitare le funzioni degli organi umani utilizzando piccoli dispositivi. Questi sistemi permettono ai ricercatori di studiare come gli organi rispondano a diverse condizioni, trattamenti e malattie. Un aspetto critico di questi dispositivi è come i fluidi si muovono al loro interno, specialmente quando si utilizzano mezzi arricchiti con siero, come il Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) con Siero Fetale Bovino (FBS).

Per creare un ambiente realistico per la crescita cellulare, è fondamentale capire come si comportano questi fluidi sotto flusso. Molti esperimenti assumono che questi fluidi arricchiti con siero abbiano uno spessore costante, il che spesso non è vero. In questo articolo discuteremo il comportamento complesso del flusso dei mezzi arricchiti con siero e le sue implicazioni per i sistemi OOC.

#Importanza delle Proprietà dei fluidi

Le proprietà dei fluidi, come lo spessore e come rispondono al flusso, influenzano notevolmente come le cellule crescono e funzionano nei sistemi OOC. I fluidi sottili sono noti come fluidi newtoniani, che hanno uno spessore costante indipendentemente dalla velocità di flusso. Al contrario, i Fluidi non newtoniani, come il DMEM con FBS, hanno uno spessore che cambia a seconda della velocità di flusso. Questa variazione può portare a diversi valori di stress di taglio, che è cruciale quando si simulano le condizioni reali degli organi.

Lo stress di taglio si riferisce alla forza causata dal movimento del fluido e può influenzare il comportamento delle cellule. Troppo o troppo poco stress di taglio possono avere effetti negativi sulla crescita e salute cellulare. Ad esempio, nei vasi sanguigni, lo stress di taglio può influenzare il flusso del sangue e la reazione delle cellule all'interno del vaso, influenzando vari processi fisiologici.

#Comprendere lo Stress di Taglio

Lo stress di taglio gioca un ruolo significativo nel modo in cui le cellule rispondono al loro ambiente. Per le cellule che sperimentano naturalmente lo stress di taglio, come le cellule endoteliali nei vasi sanguigni, è fondamentale mantenere un livello ottimale. D'altra parte, per le cellule sensibili allo stress di taglio, è vitale minimizzare queste forze.

Misurare con precisione lo stress di taglio all'interno dei dispositivi OOC è un compito complesso ma necessario. Esistono vari metodi per stimare lo stress di taglio, inclusi strumenti online da aziende di microfluidica, simulazioni numeriche o calcoli basati sulla portata e sulla dimensione nota del canale. Tuttavia, tutti questi approcci richiedono una conoscenza accurata delle proprietà del fluido.

#Comportamento Non Newtoniano dei Mezzi Arricchiti con Siero

Il comportamento dei mezzi arricchiti con siero, come il DMEM con FBS, è complesso. I metodi tradizionali possono sottovalutare il comportamento di flusso del fluido, il che può influenzare significativamente i risultati sperimentali. Ricerche precedenti hanno indicato che tali soluzioni nutritive possono comportarsi come fluidi non newtoniani, il che significa che il loro spessore cambia con diverse condizioni di flusso.

Utilizzando un reometro a cono-piastra, i ricercatori hanno misurato la viscosità del DMEM con diverse concentrazioni di FBS. I risultati hanno mostrato che, all'aumentare della concentrazione di FBS, lo spessore del fluido a basse velocità di flusso era significativamente maggiore di quanto riportato in precedenza nella letteratura. Questo indica che utilizzare un'assunzione di viscosità costante potrebbe portare a previsioni errate riguardo allo stress di taglio vissuto dalle cellule nei sistemi OOC.

#Struttura Sperimentale

Per capire meglio il flusso del fluido, sono stati eseguiti esperimenti utilizzando chip OOC. Questi chip hanno canali impilati separati da una membrana, permettendo ai fluidi di fluire in modo controllato. Una pompa a siringa crea il flusso e i ricercatori misurano come il fluido si muove attraverso questi canali.

Utilizzando metodi come la Velocimetria a Immagine di Particelle (PIV), gli scienziati sono in grado di visualizzare la velocità e i modelli di flusso all'interno del dispositivo OOC. L'obiettivo è derivare la distribuzione di velocità attraverso il canale e misurare come varia lo stress di taglio con questo flusso.

#Risultati delle Misurazioni del Flusso

I risultati di questi esperimenti hanno rivelato che il DMEM arricchito con FBS mostra un comportamento di flusso distinto rispetto all'acqua. Mentre l'acqua fluisce con un modello prevedibile, il fluido contenente FBS produce un profilo di velocità più piatto. Questo significa che il flusso non è concentrato al centro del canale come accadrebbe in un fluido newtoniano, portando a diverse distribuzioni di stress di taglio.

I dati sperimentali hanno illustrato che lo stress di taglio vicino alla membrana, dove avviene la crescita cellulare, era significativamente più alto di quanto ci si aspetterebbe se il fluido si comportasse come un fluido newtoniano. Questa discrepanza sottolinea la necessità di modelli più accurati nella ricerca OOC.

#Calcoli dello Stress di Taglio e Modellazione Teorica

Per capire meglio le differenze nello stress di taglio, i ricercatori hanno confrontato le misurazioni reali con le previsioni teoriche basate sull'assunzione che i mezzi arricchiti con siero si comportino come fluidi newtoniani. I risultati hanno mostrato una considerevole differenza tra i valori di stress di taglio previsti e quelli reali.

Nei modelli tradizionali, lo stress di taglio è direttamente correlato alla velocità di flusso. Tuttavia, quando si applicano questi modelli a fluidi non newtoniani, la relazione diventa più complessa. Analizzando il campo di flusso e le distribuzioni di stress di taglio, i ricercatori hanno potuto identificare aree critiche in cui si sono verificate concentrazioni di stress di taglio.

#Implicazioni per i Sistemi Organ-on-a-Chip

Capire come varia lo stress di taglio nei mezzi arricchiti con siero è cruciale per sviluppare sistemi OOC funzionali. I risultati di questi esperimenti suggeriscono che utilizzare un modello semplice che assume una viscosità costante può portare a risultati fuorvianti. Questo può portare a assunzioni errate su come le cellule nei sistemi OOC reagiranno a vari trattamenti o condizioni ambientali.

Modellare accuratamente lo stress di taglio è necessario per lo sviluppo di dispositivi OOC progettati per applicazioni specifiche, come test farmacologici o modelli di malattie. In questi casi, è importante ricreare l'ambiente naturale il più vicino possibile, comprese le dinamiche dei fluidi che si verificano negli organi reali.

#Riflessioni Finali sul Flusso dei Fluidi nei Dispositivi OOC

In sintesi, i mezzi arricchiti con siero come il DMEM con FBS mostrano un comportamento non newtoniano che impatta le caratteristiche di flusso e lo stress di taglio nei sistemi OOC. Modelli più sofisticati sono necessari per catturare accuratamente queste dinamiche fluide. Questa comprensione faciliterà i progressi nella progettazione e applicazione dei sistemi OOC, portando a migliori intuizioni sulla biologia umana e trattamenti medici migliorati.

Man mano che la ricerca continua in questo settore, sarà possibile perfezionare le tecniche di modellazione e misurazione utilizzate per studiare il comportamento dei fluidi. Questo non solo migliorerà i progetti OOC, ma potenzierà anche la nostra capacità di studiare vari processi fisiologici e malattie.