Una apparecchiatura per la coltura di cellule eucariotiche e procariotiche

Author(s):
E. D'Emilia - ISPESL
D. Sacco - ISPESL
L. Giuliani - ISPESL
S. Grimaldi - CNR-INMM
A. Lisi - CNR-INMM

Industry:
Research, Medical/ Medical Instrumentation

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
La presente invenzione ha per oggetto un’apparecchiatura per la crescita di cellule eucariotiche, procariotiche umane utilizzando protocolli di esposizione con campi elettrici ed elettromagnetici costantemente controllati.

The Solution:
La possibilità di poter disporre di un software e di un sistema di acquisizione dati e automazione come LabVIEW, flessibile ed implementabile, ci ha consentito oltre che produrre protocolli di esposizione altamente riproducibili, onde garantire uniformità e ripetitibilità dei risultati, l’automatizzazione dell’intero processo di controllo di tutte le funzioni della macchina in oggetto. La stimolazione elettrica e magnetica rappresenta un importante e affidabile strumento da poter utilizzare in Medicina Rigenerativa. Con tale stimolazione si è in grado di: aumentare la proliferazione cellulare come ad esempio quella osteogenica nel tessuto osseo.

Il nostro sistema è quindi idoneo a produrre protocolli di esposizione elettromagnetica in grado di indurre differenziamento su cellule eucariotiche, risultando particolarmente efficace nel differenziamento di cellule staminali umane in osteociti senza l’ ausilio di differenzianti chimici.

Da ciò si deduce che il nostro sistema apre la possibilità ad un duplice obiettivo:
1. Applicazioni terapeutiche degli effetti indotti dall’esposizione a campi magnetici risonanti sul meccanismo di differenziamento di cellule eucaristiche
2. Produzione di protesi autologhe in Medicina Rigenerativa.

Il raggiungimento del secondo obiettivo significa che nei soggetti in cui oggi si interviene con l’impianto di protesi ossee metalliche, quando il nostro brevetto avrà superato trials clinici richiesti dalla legge, si potrà intervenire prelevando cellule dal midollo osseo del paziente (cellule autologhe) differenziarle con l’impiego di campi magnetici risonanti, far crescere gli osteociti su supporti biodegradabili con la forma adeguata alla protesi che si vuol impiantare e quindi procedere all’impianto osseo. Una protesi così ottenuta avrà la caratteristica di essere perenne in quanto si salderà all’osso come in qualsiasi frattura e avendo la capacità di rivascolarizzarsi non andrà soggetta ad infezioni come spesso accade con le costose protesi metalliche.

DESCRIZIONE IMPIANTO
In una camera amagnetica è installato il solenoide per la produzione dei campi magnetici ed elettromagnetici per l’esposizione delle culture cellulari.
Il solenoide è stato realizzato con un cilindro in PVC avente dimensioni tali da garantire la linearità del campo prodotto entro +/- 1%.
Il solenoide è costituito da tre avvolgimenti coassiali e viene pilotato da altrettanti stadi di potenza integrati in configurazione di amplificatore differenziale in modo da poter riprodurre oltre al campo magnetico terrestre anche il campo elettromagnetico per l’esposizione delle culture cellulari.
Per il protocollo di campi magnetici da generare ci si avvale di strumentazione virtuale a bordo calcolatore .
Il campo generato dal solenoide viene rilevato in continuo da un sensore isotropico di campo connesso al calcolatore di sistema.
All’interno del solenoide viene inserito tramite una slitta, che funge anche da supporto, l’incubatore per le cellule; quest’ultimo è realizzato in policarbonato e contiene al proprio interno un sistema di scambio termico nel quale scorre acqua calda forzata per la termostatazione in atmosfera controllata.
L’acqua per la termostatazione viene scaldata in una vasca esterna alla camera amagnetica e tramite una pompa volumetrica e una valvola di by-pass,viene fatta circolare a pressione costante nell’impianto; un sensore di temperatura e di umidità installato all’interno dell’incubatore provvede a fornire il segnale al calcolatore di sistema che a sua volta controlla il sopracitato sistema di riscaldamento.
L’atmosfera controllata all’interno dell’incubatore deve contenere anche una percentuale di anidride carbonica del 5%: il gas in oggetto viene prelevato da una bombola e miscelato nelle giuste proporzioni nel miscelatore aria/ CO2 nel quale un sensore ed una elettrovalvola tramite il calcolatore di sistema, provvedono a mantenere l’atmosfera creata alle condizioni prescritte.
La miscela aria/CO2 viene quindi inviata, con un sistema a ricircolo, all’incubatore tramite una doppia pompa a membrana; anche in questo caso una valvola di by-pass provvede a regolare la portata fino a 20 litri/min.
All’interno dell’incubatore la miscela aria/ CO2 viene iniettata tramite un diffusore e prelevata tramite 5 orifizi, inviata poi in un condensatore che provvede a separare l’acqua dalla miscela aria/ CO2 rinviando nell’incubatore l’acqua stessa.
Nel fondo dell’incubatore deve essere presente anche un certo quantitativo di acqua che serve a produrre l’umidita relativa prescritta per l’atmosfera controllata ( circa 90%); un sensore di livello Min/Max provvede a inviare un segnale al calcolatore che a sua volta tramite un serbatoio e una elettrovalvola esterni alla camera amagnetica, mantiene il livello dell’acqua al valore prescritto.
Il calcolatore che gestisce l’impianto è provvisto di una scheda in/out analogica e digitale DAQCard-6036E di National Instrument con terminaliera schermata e per la gestione dell’intero processo è stato realizzato uno specifico programma in linguaggio LabVIEW.

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