Si sviluppano strumenti per lo studio di patologie cardiovascolari e per supportarne la diagnosi e il trattamento chirurgico. Tali strumenti comprendono sistemi pulsatili per sperimentare ex vivo tecniche e dispositivi chirurgici, modelli numerici basati su immagini cliniche per analisi fluidodinamiche e strutturali su base paziente-specifica, e metodi per quantificare il rischio trombotico di dispositivi cardiovascolari. Si progettano e realizzano sistemi di coltura cellulare e tissutale. Alla macro-scala, si sviluppano bioreattori che consentono la perfusione e la stimolazione meccanica o chimica di tessuti e costrutti cellulari replicando condizioni fisopatologiche controllate per applicazioni che spaziano dalla de- e ri-cellularizazzione di tessuti, all’espansione di cellule staminali, allo studio dei meccanismi alla base dell’evoluzione di patologie e allo sviluppo di modelli ex vivo su tessuti umani. Alla micro-scala, si sviluppano dispositivi microfluidici per la coltura in condizioni chimico-fisiche altamente controllate di popolazioni cellulari e di costrutti che riproducono struttura e funzione di tessuti e organi (organs-on-chip). Questi sistemi hanno molteplici applicazioni, tra cui l’analisi degli effetti di condizioni patologiche e l’analisi high-throughput dell’effetto di farmaci. Ad una scala spazio- temporale ancora inferiore, si sviluppano e applicano modelli computazionali per la simulazione di sistemi atomici e molecolari, finalizzati a comprendere meccanismi alla base dell’invecchiamento o dello stato patologico di tessuti connettivi e meccanismi neurodegenerativi, così come a progettare nuove molecole con proprietà controllate che siano il punto di partenza per lo sviluppo di enzimi e farmaci innovativi.

Biomeccanica Cardiovascolare

Modellazione computazionale

L’attività ha sviluppato diversi modelli numerici per studiare l’effetto di patologie cardiovascolari, del loro trattamento chirurgico e dell’impianto di dispositivi in termini di sollecitazioni meccaniche su tessuti e organi e di fluidodinamica all’interno di vasi e camere cardiache. Queste informazioni sono rese disponibili ai clinici per supportare la diagnosi, la prognosi e la pianificazione di terapie. I modelli sviluppati uniscono il processamento di immagini cliniche per ottenere direttamente da esse informazioni quantitative e l’uso di metodi ad elementi finiti e a volumi finiti per calcolare grandezze altrimenti non misurabili. Recentemente queste attività si sono estese allo sviluppo di strumenti di realtà aumentata a supporto della pianificazione e della esecuzione di interventi percutanei. Queste attività poggiano sulle infrastrutture del Laboratorio di Biomeccanica Computazionale del DEIB e del laboratorio interdipartimentale CFDHub@Polimi del Politecnico di Milano e sulla collaborazione con centri di ricerca e strutture ospedaliere a livello nazionale (IRCCS Ospedale San Raffaele, IRCCS Policlinico San Donato, IRCCS Centro Cardiologico Monzino, Ospedale Luigi Sacco, Azienda Ospedaliera Monaldi, Ospedale Civile Maggiore (OCM) di Borgo Trento) ed internazionale (Leiden University Medical Center, Mayo Clinic, University Heart Centre, University Hospital di Zurigo, Penn State University, University of Arizona, Harvard Medical School, Weill Cornell University). L’attività ha portato negli ultimi 5 anni alla pubblicazione di circa 30 articoli su riviste internazionali con processo di revisione tra pari. Attualmente questa attività ha un progetto finanziato attivo (SILKELASTOGRAFT – Fondazione Cariplo e Regione Lombardia, con lo scopo di progettare ed ingegnerizzare nuovi innesti vascolari per la dialisi). Dall’attività nell’ambito della realtà aumentata è nata la startup Artiness come spinoff del Politecnico di Milano.

Modellazione sperimentale

L’attività di ricerca è svolta in collaborazione con università (UCL, TU/e, UniMi, ES Nantes), ospedali (Sacco, San Raffaele, San Donato, Cardiologico Monzino, Saint-Luc Univerity H., Great-Ormond Street H. for Children), enti no-profit (Fondazione Forcardio), aziende e startup del settore biomedicale (Abbott, BostonScientific, LivaNova, Tendyne). Si progettano apparati sperimentali finalizzati allo studio e allo sviluppo di nuove tecniche chirurgiche e dispositivi impiantabili per trattare patologie cardiovascolari, in particolare con approcci mini-invasivi e transcatetere. Il filone di ricerca ha portato alla pubblicazione di più di 30 articoli su riviste internazionali negli ultimi 5 anni, (tra le quali spiccano lavori su giornali ad alto impact factor quali JACC e Circulation), al deposito di 6 brevetti (dei quali 4 commercializzati), e alla sistematica partecipazione ai più importanti congressi internazionali in campo biomeccanico, cardiochirurgico e cardiologico. L’attività di ricerca è stata insignita di riconoscimenti quali il Walton Lillehei Young Investigator’s Award (European Society of Cardio-Thoracic Surgery) e il Moderated Poster Award in Interventions-Peripheral Circulation-Stroke-Surgery, European Society of Cardiology Congress, 2017, Barcelona, Spain.

Colture cellulari e ingegneria dei tessuti

Sistemi microfluidici e organi su chip

Imperniata sul laboratorio MiMic Lab, questa attività si colloca nell’ambito delle microtecnologie, sviluppando continuamente innovative soluzioni tecnologiche destinate ad applicazioni biologiche. Le attività di ricerca attuali riguardano lo sviluppo di: dispositivi microfluidici, in grado di facilitare lo screening su popolazioni cellulari in high-throughput; microbioreattori, in grado di implementare colture cellulari 3D avanzate; organs-on-chip, in grado di replicare in vitro le funzioni - fisiologiche o patologiche - di organi umani su piattaforme miniaturizzate. L'attività di ricerca viene svolta in collaborazione con centri di ricerca nazionali (tra cui Humanitas, Ospedale San Raffaele, Galeazzi, Monzino, IEO) e internazionali (Massachusetts Institute of Technology, Università di Basilea, Università di Zurigo, Methodist Research Institute Houston). Attualmente questa linea di ricerca ha quattro progetti di ricerca finanziati attivi (Colangiocytes-on-chip - Ministero della Salute, volto a ricreare il microambiente cellulare tipico del colangiocarcinoma per studiare la propagazione del tumore all’interno del fegato umano; uKNEEque – Fondazione Cariplo, mirato a sviluppare un modello in vitro di osteoartrosi in grado di far luce sui meccanismi molecolari attivati durante l’insorgenza della patologia; BrainCircuit-on-chip – Horizon2020, con lo scopo di sviluppare e utilizzare una piattaforma microfluidica per generare reti di neuroni dopaminergici e striatali a partire da iPSC umane al fine di riprodurre le connessioni nigro-striatali del cervello; LNMA – MIUR, che si propone di sviluppare un tool per applicare la medicina di precisione in ambito cardiovascolare). Il filone di ricerca ha portato alla pubblicazione di più di 40 articoli su riviste internazionali con processo di revisione tra pari e al deposito di 5 domande di brevetto (dei quali 2 commercializzati). Da questa linea di ricerca è anche gemmata la startup BiomimX come spinoff del Politecnico di Milano.

Modelli Molecolari

Invecchiamento

L’attività di ricerca è focalizzata sulla comprensione dei meccanismi alla base dell’invecchiamento molecolare e allo sviluppo di una strategia atta a limitarne gli effetti. Per perseguire il primo obiettivo viene studiato nel dettaglio dove avviene preferenzialmente il fenomeno della glicazione, quali sono i comportamenti meccanici ai diversi livelli strutturali e gli effetti sulla meccanotrasduzione cellulare. Il secondo obiettivo è perseguito con l’ingegnerizzazione di enzimi deglicanti. Questa classe di enzimi, presente in natura in alcuni funghi, è potenzialmente in grado di deglicare proteine, invertendo l’accumulazione dei prodotti di glicazione. L'attività di ricerca viene svolta in collaborazione con l’ETH Zurich (Switzerland) e l’Istituto Italiano di Tecnologia.

Ingegnerizzazione di biomolecole

Questa attività sfrutta le risorse del Biomolecular Engineering Lab del DEIB si occupa di ricerca, progettazione e ingegnerizzazione di molecole e biomateriali mediante simulazioni di modellistica molecolare. Le attività di ricerca attuali includono lo studio e ingegnerizzazione delle proteine della matrice extracellulare, la caratterizzazione e progettazione di enzimi, lo studio dei meccanismi molecolari delle malattie, la progettazione di biomateriali per applicazioni nanobiotecnologiche. Questo ambito di ricerca ha portato alla pubblicazione di più di 40 articoli peer reviewed (tra le quali spiccano lavori su giornali ad alto impatto come Nature Communications e Nano Letters) e al deposito di un brevetto. L'attività di ricerca viene svolta in collaborazione con centri internazionali tra cui Massachusetts Institute of Technology (USA), Uppsala University (Sweden), Weizmann Institute of Science (Israel).

Complessivamente, le attività di modellazione molecolare hanno portato alla pubblicazione di circa 15 articoli negli ultimi 5 anni su riviste internazionali con processo di revisione tra pari e hanno attualmente due progetti di ricerca finanziati attivi (CollAGEing – Fondazione Cariplo, mirato a fornire una comprensione dettagliata delle alterazioni a livello molecolare che i prodotti finali di glicazione avanzata (AGEs) determinano nei tessuti biologici e, al contempo, progettare e validare un potenziale enzima terapeutico in grado di prevenire la formazione di AGE; AMMODIT – Horizon2020, mirato allo sviluppo di metodi matematici innovativi che si applicano a problematiche mediche e di life science (quantificazione di sistemi complessi). Queste attività hanno portato anche ad un brevetto.