I modelli tissutali 3D basati su cellule staminali rappresentano oggi una risorsa insostituibile per la ricerca biomedica, dallo screening farmaceutico ai test di tossicità. Tuttavia, la produzione di aggregati cellulari nei bioreattori è un processo complesso, costoso e spesso soggetto a sprechi di tempo e materiali a causa di controlli di qualità effettuati solo al termine del ciclo produttivo. Per superare questi limiti, i ricercatori del Fraunhofer Center for Sensor Intelligence ZSI hanno sviluppato una soluzione all’avanguardia. In collaborazione con gli istituti IBMT (Ingegneria Biomedica) e IZFP (Controlli Non Distruttivi), hanno creato un sistema di sensori intelligenti che monitora e ottimizza l’intero processo di produzione in tempo reale, garantendo qualità e sicurezza.
Sensori coordinati per una visione chiara
Al centro del progetto di ricerca, denominato SpheroSense, c’è l’integrazione di due livelli di sensori all’interno di un bioreattore commerciale per sferoidi cellulari 3D. L’ambiente di crescita delle cellule viene costantemente monitorato da sensori elettrochimici che rilevano parametri vitali come glucosio, lattato, ossigeno disciolto, pH e temperatura. Parallelamente, un sistema di telecamere provvede alla caratterizzazione ottica degli aggregati cellulari. Queste telecamere analizzano in tempo reale dimensioni, numero e qualità degli sferoidi, generando curve di crescita che permettono di identificare e mantenere le condizioni ottimali di coltura.
Intelligenza Artificiale e controllo visivo
La piattaforma si affida a due percorsi visivi distinti per garantire il massimo controllo. Una telecamera in-situ osserva gli sferoidi direttamente nei tubi rotanti del reattore, mentre una seconda telecamera li analizza mentre passano attraverso un canale microfluidico. L’Intelligenza Artificiale integrata è in grado di riconoscere e classificare gli aggregati cellulari in pochi millisecondi. Tutti i dati raccolti vengono elaborati direttamente sul posto dalla piattaforma edge AI denominata MAUS (Multimodal Autonomous Sensor Platform), che centralizza le informazioni e trasmette i risultati a un database per l’analisi immediata.
Riduzione dei rischi e oggettività del controllo
Questa tecnologia introduce un cambio di paradigma fondamentale: il passaggio da valutazioni soggettive a un controllo di qualità oggettivo e automatizzato. Come spiega Thomas Velten, project manager del Fraunhofer IBMT, il sistema sostituisce la valutazione umana con un’analisi basata sull’AI, permettendo un monitoraggio costante e l’eventuale aggiustamento dei parametri di processo. La soluzione è conforme ai moderni standard farmaceutici (come la Process Analytical Technology richiesta da FDA ed EMA) ed è label-free, ovvero non richiede marcatori chimici che potrebbero danneggiare gli sferoidi. Questo si traduce in un notevole risparmio economico, dato l’alto costo dei terreni di coltura per le cellule staminali.
Sovranità dei dati e flessibilità modulare
Un vantaggio cruciale del sistema è la sicurezza dei dati. La piattaforma è progettata per funzionare senza connessione cloud obbligatoria, mantenendo i dati sensibili del processo direttamente presso il cliente, sebbene la connessione cloud sia disponibile su richiesta. Inoltre, la natura modulare della piattaforma MAUS la rende estremamente flessibile. Christoph Weingard del Fraunhofer IZFP sottolinea come il design permetta una rapida prototipazione per diverse applicazioni di monitoraggio, inclusa l’integrazione di moduli radio Bluetooth e NFC per leggere i sensori all’interno dei tubi senza l’uso di cavi aggiuntivi. Questa tecnologia sarà presentata ufficialmente alla fiera Analytica di Monaco nel marzo 2026.
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