Obiettivo dell'attività di ricerca

• Sviluppo di protocolli ottimizzati per la realizzazione di reti neuronali ingegnerizzate 2D e 3D derivate da paziente
• Sviluppo di protocolli ottimizzati per la realizzazione di reti neuronali miste 2D e 3D derivate da paziente
• Utilizzo di matrici di microelettrodi ad altà densità (HD-MEA) per la rilevazione del segnale elettrofisiologico di reti neuronali.
• Sviluppo di protocolli di stimolazione elettrica/chimica per la valutazione delle dinamiche delle reti neuronali
• Sviluppo di algoritmi per l’analisi dei dati elettrofisiologici
• Sviluppo di algoritmi per correlare analisi di dati omici con quelli elettrofisiologici per l’identificazione di possibili biomarker.
• Implementazione di una piattaforma brain-on-a-chip paziente specifico in grado di mimare diversi aspetti fisio/patologici.

Problema affrontato

Comprendere le malattie rare del neurosviluppo richiede modelli umani fedeli: il cervello, però, è inaccessibile e gli animali spesso non replicano la clinica. Oggi, grazie a tecnologie d’avanguardia, possiamo ricavare neuroni e micro‑tessuti direttamente dalle cellule del paziente, conservandone l’esatto patrimonio genetico; un passo decisivo verso la medicina di precisione.    
Il nostro progetto punta a trasformare questa opportunità in una piattaforma brain‑on‑a‑chip ad alto impatto. Uniremo (i) reti neuronali patient‑specific in formati 2D e 3D ottenute con protocolli proprietari, (ii) microelectrodes array ad alta densità di nuova generazione (i.e. HD-MEA) capaci di registrare l’attività elettrica di reti neuronali in tempo reale e (iii) algoritmi dedicati che estraggono e descrivono importanti parametri per caratterizzare la dinamica di queste reti, scoprirne fenotipi elettrofisiologici e poter identificare potenziali biomarcatori.    
Il risultato sarà un sistema scalabile che consente di osservare, in vitro e con risoluzione senza precedenti, come le mutazioni rare alterano la connettività cerebrale e di testare farmaci mirati o terapie geniche in modo rapido e a costi contenuti. In altre parole, portiamo il “bench‑to‑bedside” dentro un chip: un asset strategico per chi vuole accelerare lo sviluppo di cure personalizzate e aprire nuovi mercati nel settore delle malattie neurologiche orfane.    
 

Vantaggi

• Standardizzazione e riproducibilità dei modelli cellulari.

• Modello unico che permette integrazione di dati funzionali con dati omici.

• Possibilità di modellare diverse patologie

• Flessibilità nella sperimentazione di molteplici approcci terapeutici.

Settori di applicazione

• Neuroscienze e ricerca sul neurosviluppo.

• Farmacologia e sviluppo di nuovi farmaci.

• Dispositivi medici e tecnologie di monitoraggio elettrofisiologico.

• Biotecnologie e diagnostica avanzata.

• Formazione e ricerca accademica.

Utenti finali

• Neuroscienze e ricerca sul neurosviluppo.

• Farmacologia e sviluppo di nuovi farmaci.

• Dispositivi medici e tecnologie di monitoraggio elettrofisiologico.

• Biotecnologie e diagnostica avanzata.

• Formazione e ricerca accademica.

Risultato finale dell'attività di ricerca

• Pipeline per la generazione di cellule paziente‑specifiche. Stiamo perfezionando protocolli scalabili che producono un ampio spettro di neuroni e cellule gliali umane, indispensabili per modellare in vitro quadri fisiologici e patologici complessi.

• Modelli 2D & 3D “plug‑and‑play” con HD‑MEA. Le nostre colture, dai monostrati ai microtessuti, si interfacciano in modo efficiente con gli HD-MEA, offrendo letture funzionali in tempo reale e a risoluzione sinaptica.

• Saggi di stimolazione elettrica e chimica su misura. Progettiamo protocolli che modulano con precisione l’attività di rete, rivelando dinamiche sinaptiche chiave e consentendo screening rapidi di farmaci o terapie geniche.

• Analytics di nuova generazione per i big‑data elettrofisiologici. Sviluppiamo algoritmi che estraggono e correlano centinaia di parametri funzionali, cercando di identificare particolari fenotipi elettrofisiologici finora invisibili

• Integrazione omica‑funzionale per biomarker ad alto valore. Incrociamo trascrittomica, proteomica e metabolomica con i dati elettrici: un approccio AI‑driven che punta a svelare pathway e biomarcatori candidati, accelerando la ricerca di possibili target terapeutici.

• Questa integrazione multidisciplinare permette di costruire una piattaforma brain-on-a-chip all’avanguardia, che consentirà di testare in modo innovativo diverse strategie di trattamento (stimolazioni elettriche, chimiche o editing genomico) e di ricreare in vitro patologie neurologiche con un elevato grado di realismo. Il risultato è uno strumento versatile e predittivo, capace di accelerare la ricerca e favorire lo sviluppo di nuove terapie personalizzate.

Applicazioni note / demo / casi di studio / referenze

• Di Lisa, D., Muzzi, L., Lagazzo, A., Andolfi, A., Martinoia, S., & Pastorino, L.  (2023). Long-term in vitro culture of 3D brain tissue model based on chitosan  thermogel. Biofabrication, 16(1), 015011.

• Muzzi, L.; Di Lisa, D.; Falappa, M.; Pepe, S.; Maccione, A.; Pastorino, L.; Martinoia, S.; Frega, M. Human-Derived Cortical Neurospheroids Coupled to Passive, High-Density and 3D MEAs: A Valid Platform for Functional Tests. Bioengineering 2023, 10, 449.

• Di Lisa, D., Muzzi, L., Pepe, S., Dellacasa, E., Frega, M., Fassio, A., ... & Pastorino, L. (2022). On the way back from 3D to 2D: Chitosan promotes adhesion and development of neuronal networks onto culture supports. Carbohydrate Polymers, 297, 120049.

• Muzzi, L., et al. "Rapid generation of functional engineered 3D human  neuronal assemblies: network dynamics evaluated by micro-electrodes arrays."  Journal of neural engineering 18.6 (2021): 066030.

• Monteiro, S. P., Voogd, E., Muzzi, L., De Vecchis, G., Mossink, B., Levers, M., ... & Frega, M. (2021). Neuroprotective effect of hypoxic preconditioning and neuronal activation in a in vitro human model of the ischemic penumbra.  Journal of neural engineering, 18(3), 036016

Valorizzazioni possibili

• Trasferimento tecnologico verso il settore clinico e industriale.

• Collaborazioni pubblico-privato per sperimentazioni e commercializzazione.

• Opportunità di brevettare metodologie e dispositivi innovativi.

• Accesso a programmi di finanziamento per la ricerca e sviluppo di terapie personalizzate.

• Creazione di spin-off e start-up innovative nel settore biomedicale.

Immagini/scheda tecnica

Responsabili Scientifici

Lorenzo Muzzi

Contatti

Lorenzo Muzzi: https://rubrica.unige.it/personale/UUFBXV5p

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