Desenvolvimento de uma nova plataforma Organ-on-a-Chip para a biomimetização do microambiente da medula óssea
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Leandro Soares de Oliveira
Flávio Orlando Plentz Filho
Lionel Fernel Gamarra Contreras
Manuel Doblaré Castellano
Flávio Orlando Plentz Filho
Lionel Fernel Gamarra Contreras
Manuel Doblaré Castellano
Resumo
Ao redor do mundo, a pesquisa e desenvolvimento de fármacos enfrenta uma conjuntura
de baixa eficiência em seus projetos. A maior contribuição para isso é a utilização das
plataformas padrões de cultura celular in vitro e os modelos animais. Nesse cenário, a
tecnologia Organ-on-a-chip, baseada na microfluídica e na engenharia de tecidos, surge
como uma plataforma promissora para a biomimetização in vitro de órgãos, incluindo
a medula óssea. O objetivo principal dessa tese é projetar um sistema microfisiológico
baseado na histologia e microarquitetura medulares com foco no estudo do comportamento
das células em condições fisiológicas e patológicas, principalmente o estudo da leucemia
linfoide aguda. Para esse fim, a primeira etapa do projeto foi a conceptualização da
geometria do microdispositivo. A próxima etapa foi a de verificação do microdispositivo
como uma plataforma capaz de fornecer condições fisiológicas e de perfusão de fluidos
análogas às que as células da medula experimentam in vivo. O perfil de velocidade do
escoamento e a distribuição de oxigênio foram calculados a partir da implementação do
modelo computacional usando o programa de elementos finitos Comsol Multiphysics®
v5.6, especificamente pelo sistema de equações de fenômenos de transporte e da dinâmica
celular. Para a construção do modelo computacional, o parâmetro hidráulico de porosidade
da matriz de hidrogel representativa foi calculado utilizando um microscópio eletrônico de
varredura e o software livre ImageJ. Após a simulação, o microdispositivo foi produzido
utilizando as técnicas de microfabricação baseadas na impressão 3D em resina acrílica
e na moldagem por litografia suave, com o polidimetilsiloxano sendo o material base.
Por esse método de microfabricação ser relativamente novo em aplicações Organ-on-achip
duas etapas foram realizadas, uma para avaliar os padrões gerados, por meio de
medições utilizando uma lupa eletrônica e um perfilômetro, e a possibilidade do material
ser citotóxico, por meio de um ensaio que mede a atividade metabólica celular. Ao final
realizou-se um estudo preliminar de cultura tridimensional estática de células na nova
plataforma microfisiológica. Células Jy que emulam as células leucêmicas da leucemia
linfoide aguda foram cultivadas em uma matriz padrão de colágeno tipo I, onde avaliou-se
a viabilidade e a morfologia celular. Os resultados obtidos indicam que os protocolos e o
modelo computacional implementados para o projeto do sistema microfisiológico geraram
uma plataforma biomimética que fornece às células um microambiente mecânico, físico e
bioquímica com relevância biológica, se configurando como uma primeira abordagem para
a representação do que elas experimentam in vivo na medula óssea. Assim, a plataforma
denotada por Integrated Marrow Niches-on-a-chip pode vir a ser uma ferramenta útil para
a triagem de drogas e o estudo de novas abordagens terapêuticas.
Abstract
Around the world, Drug research and development faces a situation of low efficiency in
their projects. The biggest contribution to this is the utilization of standard cell culture
plataforms in vitro and animal models. In this scenario, the Organ-on-a-chip technology,
based on microfluidics and tissue engineering, emerges as a promising platform for the in
vitro biomimicking organs, including bone marrow. The main objective of this thesis is
to design a microphysiological system based on marrow histology and microarchitecture
with focus on the study of cell behavior under physiological and pathological conditions,
mainly the study of acute lymphocytic leukemia. For this purpose, the first step of this
project was the geometry microdevice conceptualization. The next step was to verify the
microdevice as a platform capable providing physiological and fluid perfusion conditions
analogous to what the marrow cells experience in vivo. The flow velocity profile and the
oxygen distribution were calculated from the implementation of the computational model
using the finite element software Comsol Multiphysics® v5.6, specifically through the
system of equations of transport phenomena and cell dynamics. For the construction of the
computational model, the hydrogel matrix representative hydraulic parameter of porosity
was calculated using a scanning electron microscope and the free software ImageJ. After
the simulation, the microdevice was manufactured using microfabrication techniques based
on 3D printing in acrylic resin and molding by soft lithography, with polydimethylsiloxane
as the base material. As this microfabrication method is relatively new in Organ-on-a-chip
applications, two steps were performed, one to evaluate the generated patterns, through
measurements using an electronic magnifying glass and a profilometer, and then the
verification if the material is cytotoxic, using a test that measures cellular metabolic
activity. At the end, a preliminary study of three-dimensional static cell culture was carried
out on the new microphysiological platform. Jy cells that emulate the leukemia cells of
acute lymphocytic leukemia were cultured in a standard type I collagen matrix, where cell
viability and morphology were evaluated. The obtained results indicate that the protocols
and the computational model implemented for the project of the microphysiological system
generated a biomimetic platform that provides the cells with a mechanical, physical
and biochemical microenvironment with biological relevance, configuring itself as a first
approach for the representation of what they experience in vivo in the bone marrow. The
platform denoted by Integrated Marrow Niches-on-a-chip may prove to be a useful tool
for drug screening and the study of new therapeutic approaches acute acute lymphocytic
leukemia.
Assunto
Engenharia mecânica, Bioengenharia, Biomecânica, Medula óssea, Microfluídica
Palavras-chave
Medula óssea, Microfluídica, Biomimetização, Organ-on-a-chip