Bioengineering shape, structure and function in primary and stem cell derived cardiomyocytes: in vitro and in-silico models of exitations contraction coupling

The Pharmaceutical (Pharma) industry is facing a critical juncture: developing new compounds has become an extremely expensive process (>500M$/compound that makes it to clinical trials) with such a low efficiency (per single disease target, ~5/5000 compounds make it to the late stages) that will not be sustainable much longer. Returns on investment in fact is threaten by the toxicity that a compound may have on on-/offtargets organs or in patients with particular genetics, a fact that might be overlooked during traditional clinical trials due to limited sample size. Recently a new paradigm has been proposed named “Fail Fast, Fail Cheap” (FFFC): that is, if better predictive models can be designed for the pre-clinical trial phases a compound’s toxicity can be estimated when tests are cheaper, thus increasing the probability of the final ~5 compounds to be non-toxic. In the doctorate thesis the author investigates two strategies to achieve FFFC: i) a theoretical/ computational approach to describe the biophysics of the biological systems of interest (in-silico) and make predictions regarding toxicity and efficacy and ii) an experimental approach with the use of primary and stem-cell derved cells (in-vitro) and novel techniques in the biomaterial science such as micro contact printing and planar patch clamping. The work is focused on cardiac cells (cardiomyocytes) as cardiac toxicity has been introduced by regulatory agencies as one of the most important metric to establish a compound as a marketable drug.

L'industria farmaceutica sta attraversando una giuntura sfavorevole: lo sviluppo di nuove sostanze è diventato un processo estremamente costoso (>500M$/sostanza che finalmente raggiunge la fase dei trial clinici) e caratterizzato da una efficienza molto bassa (solo ~5/5000 sostanze inizialmente sintetizzate raggiunge la fase finale) che difficilmente potrà essere sostenuto ancora a lungo. Il ritorno su questo enorme investimento, infatti, è minacciato dalla possibilità che effetti tossici diretti o indiretti - dovuti per esempio a non comuni genetiche dei pazienti - possano non essere identificati durante i trial clinici a causa della limitata popolazione su cui la sostanza chimica è testata. Recentemente, un nuovo paradigma è stato proposto, noto come "Fail Fast, Fail Cheap" (FFFC - fallire presto, fallire in maniera economica): questo si traduce nella pratica di ingegnerizzare migliori modelli predittivi per gli esponenzialmente più economici stadi di sviluppo che precedono i trial clinici, in modo da scoprire effetti tossici in queste fasi e in definitiva massimizzare le probabilità per le ~5 sostanze approvate per trial clinici, di essere veramente non tossiche. In questa tesi di dottorato l'autore ha esplorato due nuove strategie per FFFX: i) un approccio teoretico/computazionale per descrivere - tramite equazioni differenziali ordinarie e modelli di markov nascosti - la biofisica dei sistemi biologici di interesse (in-silico) e ottenere predizioni sui possibili effetti tossici e sull'efficacia di una potenziale droga e ii) un approccio sperimentale basato sull'uso di cellule derivate da fonti primarie o cellule staminali (in-vitro) nonché nuove tecniche nella scienza dei biomateriali, come microcontantact printing e planar patch clamping. Il lavoro è focalizzato sull'uso di cellule cardiache (cardiomiociti) in quanto la tossicità (diretta o indiretta) a livello cardiaco è stata introdotta - dagli organi istituzionali deputati all'approvazione di nuovi farmaci in tutto il mondo - come una delle più importanti metriche per l'approvazione di nuovi farmaci.