3D nanostructured microcarriers for cell therapy in regenerative medicine

Supercritical Emulsion Extraction technology (SEE-C) was proposed for the production of poly-lactic-co-glycolic acid microcarriers. SEE-C operating parameters as pressure, temperature and flow rate ratios were analyzed and the process performance was optimized in terms of size distribution and encapsulation efficiency. Microdevices loaded with bovine serum insulin were produced with different sizes (2 and 3 µm) or insulin charges (3 and 6 mg/g) and with an encapsulation efficiency of 60%. The microcarriers were characterized in terms of insulin release profile in two different media (PBS and DMEM) and the diffusion and degradation constants were also estimated by using a mathematical model. PLGA microdevices were also used in a cultivation of embryonic ventricular myoblasts (cell line H9c2 obtained from rat) in a FBS serum free medium to monitor cell viability and growth in dependence of insulin released. Good cell viability and growth were observed on 3 µm microdevices loaded with 3 mg/g of insulin. PLGA microspheres loaded with growth factors (GFs) were charged into alginate scaffold with human Mesenchimal Steam Cells (hMSC) for bone tissue engineering with the aim of monitoring the effect of the local release of these signals on cells differentiation. These “living” 3D scaffolds were incubated in a direct perfusion tubular bioreactor to enhance nutrient transport and exposing the cells to a given shear stress. Different GFs such as, h-VEGF, h-BMP2 and a mix of two (ratio 1:1) were loaded and alginate beads were recovered from dynamic (tubular perfusion system bioreactor) and static culture at different time points (1st, 7th, 21st days) for the analytical assays such as, live/dead; alkaline phosphatase; osteocalcin; osteopontin and Van Kossa Immunoassay. The immunoassay confirmed always a better cells differentiation in the bioreactor with respect to the static culture and revealed a great influence of the BMP-2 released in the scaffold on cell differentiation.

Caratteristiche biologiche e potenziale applicativo delle cellule staminali derivate da membrane fetali

La ricerca sulle cellule staminali apre nuove prospettive per approcci di terapia cellulare. Molta attenzione è concentrata sulle cellule staminali isolate da membrane fetali, per la facilità di recupero del materiale di partenza, le limitate implicazioni etiche e le caratteristiche delle popolazioni di cellule staminali residenti. In particolare a livello dell’epitelio amniotico si concentra una popolazione di cellule (hAECs) con interessanti caratteristiche di staminalità, pluripotenza e immunomodulazione. Restano però una serie di limiti prima di arrivare ad un’applicazione clinica: l’uso di siero di origine animale nei terreni di coltura e le limitate conoscenze legate alla reazione immunitaria in vivo. La prima parte di questo lavoro è focalizzata sulle caratteristiche delle hAECs coltivate in un terreno privo di siero, in confronto a un terreno di coltura classico. Lo studio è concentrato sull’analisi delle caratteristiche biologiche, immunomodulatorie e differenziative delle hAECs. L’interesse verso le caratteristiche immunomodulatorie è legato alla possibilità che l’uso di un terreno serum free riduca il rischio di rigetto dopo trapianto in vivo. La maggior parte degli studi in vivo con cellule isolate da membrane fetali sono stati realizzati con cellule di derivazione umana in trapianti xenogenici, ma poco si sa circa la sopravvivenza di queste cellule in trapianti allogenici, come nel caso di trapianti di cellule di derivazione murina in modelli di topo. La seconda parte dello studio è focalizzata sulla caratterizzazione delle cellule derivate da membrane fetali di topo (mFMSC). Le caratteristiche biologiche, differenziative e immunomodulatorie in vitro e in vivo delle mFMSC sono state confrontate con i fibroblasti embrionali di topo. In particolare è stata analizzata la risposta immunitaria a trapianti di mFMSC nel sistema nervoso centrale (CNS) in modelli murini immunocompetenti.

Studies of OPA1 pathogenic mechanisms in Dominant Optic Atrophy and novel protein function in mitochondrial DNA stability

The mitochondrion is an essential cytoplasmic organelle that provides most of the energy necessary for eukaryotic cell physiology. Mitochondrial structure and functions are maintained by proteins of both mitochondrial and nuclear origin. These organelles are organized in an extended network that dynamically fuses and divides. Mitochondrial morphology results from the equilibrium between fusion and fission processes, controlled by a family of “mitochondria-shaping” proteins. It is becoming clear that defects in mitochondrial dynamics can impair mitochondrial respiration, morphology and motility, leading to apoptotic cell death in vitro and more or less severe neurodegenerative disorders in vivo in humans. Mutations in OPA1, a nuclear encoded mitochondrial protein, cause autosomal Dominant Optic Atrophy (DOA), a heterogeneous blinding disease characterized by retinal ganglion cell degeneration leading to optic neuropathy (Delettre et al., 2000; Alexander et al., 2000). OPA1 is a mitochondrial dynamin-related guanosine triphosphatase (GTPase) protein involved in mitochondrial network dynamics, cytochrome c storage and apoptosis. This protein is anchored or associated on the inner mitochondrial membrane facing the intermembrane space. Eight OPA1 isoforms resulting from alternative splicing combinations of exon 4, 4b and 5b have been described (Delettre et al., 2001). These variants greatly vary among diverse organs and the presence of specific isoforms has been associated with various mitochondrial functions. The different spliced exons encode domains included in the amino-terminal region and contribute to determine OPA1 functions (Olichon et al., 2006). It has been shown that exon 4, that is conserved throughout evolution, confers functions to OPA1 involved in maintenance of the mitochondrial membrane potential and in the fusion of the network. Conversely, exon 4b and exon 5b, which are vertebrate specific, are involved in regulation of cytochrome c release from mitochondria, and activation of apoptosis, a process restricted to vertebrates (Olichon et al., 2007). While Mgm1p has been identified thanks to its role in mtDNA maintenance, it is only recently that OPA1 has been linked to mtDNA stability. Missense mutations in OPA1 cause accumulation of multiple deletions in skeletal muscle. The syndrome associated to these mutations (DOA-1 plus) is complex, consisting of a combination of dominant optic atrophy, progressive external ophtalmoplegia, peripheral neuropathy, ataxia and deafness (Amati- Bonneau et al., 2008; Hudson et al., 2008). OPA1 is the fifth gene associated with mtDNA “breakage syndrome” together with ANT1, PolG1-2 and TYMP (Spinazzola et al., 2009). In this thesis we show for the first time that specific OPA1 isoforms associated to exon 4b are important for mtDNA stability, by anchoring the nucleoids to the inner mitochondrial membrane. Our results clearly demonstrate that OPA1 isoforms including exon 4b are intimately associated to the maintenance of the mitochondrial genome, as their silencing leads to mtDNA depletion. The mechanism leading to mtDNA loss is associated with replication inhibition in cells where exon 4b containing isoforms were down-regulated. Furthermore silencing of exon 4b associated isoforms is responsible for alteration in mtDNA-nucleoids distribution in the mitochondrial network. In this study it was evidenced that OPA1 exon 4b isoform is cleaved to provide a 10kd peptide embedded in the inner membrane by a second transmembrane domain, that seems to be crucial for mitochondrial genome maintenance and does correspond to the second transmembrane domain of the yeasts orthologue encoded by MGM1 or Msp1, which is also mandatory for this process (Diot et al., 2009; Herlan et al., 2003). Furthermore in this thesis we show that the NT-OPA1-exon 4b peptide co-immuno-precipitates with mtDNA and specifically interacts with two major components of the mitochondrial nucleoids: the polymerase gamma and Tfam. Thus, from these experiments the conclusion is that NT-OPA1- exon 4b peptide contributes to the nucleoid anchoring in the inner mitochondrial membrane, a process that is required for the initiation of mtDNA replication and for the distribution of nucleoids along the network. These data provide new crucial insights in understanding the mechanism involved in maintenance of mtDNA integrity, because they clearly demonstrate that, besides genes implicated in mtDNA replications (i.e. polymerase gamma, Tfam, twinkle and genes involved in the nucleotide pool metabolism), OPA1 and mitochondrial membrane dynamics play also an important role. Noticeably, the effect on mtDNA is different depending on the specific OPA1 isoforms down-regulated, suggesting the involvement of two different combined mechanisms. Over two hundred OPA1 mutations, spread throughout the coding region of the gene, have been described to date, including substitutions, deletions or insertions. Some mutations are predicted to generate a truncated protein inducing haploinsufficiency, whereas the missense nucleotide substitutions result in aminoacidic changes which affect conserved positions of the OPA1 protein. So far, the functional consequences of OPA1 mutations in cells from DOA patients are poorly understood. Phosphorus MR spectroscopy in patients with the c.2708delTTAG deletion revealed a defect in oxidative phosphorylation in muscles (Lodi et al., 2004). An energetic impairment has been also show in fibroblasts with the severe OPA1 R445H mutation (Amati-Bonneau et al., 2005). It has been previously reported by our group that OPA1 mutations leading to haploinsufficiency are associated in fibroblasts to an oxidative phosphorylation dysfunction, mainly involving the respiratory complex I (Zanna et al., 2008). In this study we have evaluated the energetic efficiency of a panel of skin fibroblasts derived from DOA patients, five fibroblast cell lines with OPA1 mutations causing haploinsufficiency (DOA-H) and two cell lines bearing mis-sense aminoacidic substitutions (DOA-AA), and compared with control fibroblasts. Although both types of DOA fibroblasts maintained a similar ATP content when incubated in a glucose-free medium, i.e. when forced to utilize the oxidative phosphorylation only to produce ATP, the mitochondrial ATP synthesis through complex I, measured in digitonin-permeabilized cells, was significantly reduced in cells with OPA1 haploinsufficiency only, whereas it was similar to controls in cells with the missense substitutions. Furthermore, evaluation of the mitochondrial membrane potential (DYm) in the two fibroblast lines DOA-AA and in two DOA-H fibroblasts, namely those bearing the c.2819-2A>C mutation and the c.2708delTTAG microdeletion, revealed an anomalous depolarizing response to oligomycin in DOA-H cell lines only. This finding clearly supports the hypothesis that these mutations cause a significant alteration in the respiratory chain function, which can be unmasked only when the operation of the ATP synthase is prevented. Noticeably, oligomycin-induced depolarization in these cells was almost completely prevented by preincubation with cyclosporin A, a well known inhibitor of the permeability transition pore (PTP). This results is very important because it suggests for the first time that the voltage threshold for PTP opening is altered in DOA-H fibroblasts. Although this issue has not yet been addressed in the present study, several are the mechanisms that have been proposed to lead to PTP deregulation, including in particular increased reactive oxygen species production and alteration of Ca2+ homeostasis, whose role in DOA fibroblasts PTP opening is currently under investigation. Identification of the mechanisms leading to altered threshold for PTP regulation will help our understanding of the pathophysiology of DOA, but also provide a strategy for therapeutic intervention.

Airway Basal Cell Vascular Endothelial Growth Factor-mediated Cross-Talk Regulates Endothelial Cell Dependent Growth Support of Human Airway Basal Cells

The human airway epithelium is a pseudostratified heterogenous layer comprised of cili-ated, secretory, intermediate and basal cells. As the stem/progenitor population of the airway epi-thelium, airway basal cells differentiate into ciliated and secretory cells to replenish the airway epithelium during physiological turnover and repair. Transcriptome analysis of airway basal cells revealed high expression of vascular endothelial growth factor A (VEGFA), a gene not typically associated with the function of this cell type. Using cultures of primary human airway basal cells, we demonstrate that basal cells express all of the 3 major isoforms of VEGFA (121, 165 and 189) but lack functional expression of the classical VEGFA receptors VEGFR1 and VEGFR2. The VEGFA is actively secreted by basal cells and while it appears to have no direct autocrine function on basal cell growth and proliferation, it functions in a paracrine manner to activate MAPK signaling cascades in endothelium via VEGFR2 dependent signaling pathways. Using a cytokine- and serum-free co-culture system of primary human airway basal cells and human endothelial cells revealed that basal cell secreted VEGFA activated endothelium to ex-press mediators that, in turn, stimulate and support basal cell proliferation and growth. These data demonstrate novel VEGFA mediated cross-talk between airway basal cells and endothe-lium, the purpose of which is to modulate endothelial activation and in turn stimulate and sustain basal cell growth.

Caratterizzazione del legame di molecole di interesse farmaceutico alla sieroalbumina umana mediante biocromatografia e dicroismo circolare

Negli ultimi anni, un crescente numero di studiosi ha focalizzato la propria attenzione sullo sviluppo di strategie che permettessero di caratterizzare le proprietà ADMET dei farmaci in via di sviluppo, il più rapidamente possibile. Questa tendenza origina dalla consapevolezza che circa la metà dei farmaci in via di sviluppo non viene commercializzato perché ha carenze nelle caratteristiche ADME, e che almeno la metà delle molecole che riescono ad essere commercializzate, hanno comunque qualche problema tossicologico o ADME [1]. Infatti, poco importa quanto una molecola possa essere attiva o specifica: perché possa diventare farmaco è necessario che venga ben assorbita, distribuita nell’organismo, metabolizzata non troppo rapidamente, ne troppo lentamente e completamente eliminata. Inoltre la molecola e i suoi metaboliti non dovrebbero essere tossici per l’organismo. Quindi è chiaro come una rapida determinazione dei parametri ADMET in fasi precoci dello sviluppo del farmaco, consenta di risparmiare tempo e denaro, permettendo di selezionare da subito i composti più promettenti e di lasciar perdere quelli con caratteristiche negative. Questa tesi si colloca in questo contesto, e mostra l’applicazione di una tecnica semplice, la biocromatografia, per caratterizzare rapidamente il legame di librerie di composti alla sieroalbumina umana (HSA). Inoltre mostra l’utilizzo di un’altra tecnica indipendente, il dicroismo circolare, che permette di studiare gli stessi sistemi farmaco-proteina, in soluzione, dando informazioni supplementari riguardo alla stereochimica del processo di legame. La HSA è la proteina più abbondante presente nel sangue. Questa proteina funziona da carrier per un gran numero di molecole, sia endogene, come ad esempio bilirubina, tiroxina, ormoni steroidei, acidi grassi, che xenobiotici. Inoltre aumenta la solubilità di molecole lipofile poco solubili in ambiente acquoso, come ad esempio i tassani. Il legame alla HSA è generalmente stereoselettivo e ad avviene a livello di siti di legame ad alta affinità. Inoltre è ben noto che la competizione tra farmaci o tra un farmaco e metaboliti endogeni, possa variare in maniera significativa la loro frazione libera, modificandone l’attività e la tossicità. Per queste sue proprietà la HSA può influenzare sia le proprietà farmacocinetiche che farmacodinamiche dei farmaci. Non è inusuale che un intero progetto di sviluppo di un farmaco possa venire abbandonato a causa di un’affinità troppo elevata alla HSA, o a un tempo di emivita troppo corto, o a una scarsa distribuzione dovuta ad un debole legame alla HSA. Dal punto di vista farmacocinetico, quindi, la HSA è la proteina di trasporto del plasma più importante. Un gran numero di pubblicazioni dimostra l’affidabilità della tecnica biocromatografica nello studio dei fenomeni di bioriconoscimento tra proteine e piccole molecole [2-6]. Il mio lavoro si è focalizzato principalmente sull’uso della biocromatografia come metodo per valutare le caratteristiche di legame di alcune serie di composti di interesse farmaceutico alla HSA, e sul miglioramento di tale tecnica. Per ottenere una miglior comprensione dei meccanismi di legame delle molecole studiate, gli stessi sistemi farmaco-HSA sono stati studiati anche con il dicroismo circolare (CD). Inizialmente, la HSA è stata immobilizzata su una colonna di silice epossidica impaccata 50 x 4.6 mm di diametro interno, utilizzando una procedura precedentemente riportata in letteratura [7], con alcune piccole modifiche. In breve, l’immobilizzazione è stata effettuata ponendo a ricircolo, attraverso una colonna precedentemente impaccata, una soluzione di HSA in determinate condizioni di pH e forza ionica. La colonna è stata quindi caratterizzata per quanto riguarda la quantità di proteina correttamente immobilizzata, attraverso l’analisi frontale di L-triptofano [8]. Di seguito, sono stati iniettati in colonna alcune soluzioni raceme di molecole note legare la HSA in maniera enantioselettiva, per controllare che la procedura di immobilizzazione non avesse modificato le proprietà di legame della proteina. Dopo essere stata caratterizzata, la colonna è stata utilizzata per determinare la percentuale di legame di una piccola serie di inibitori della proteasi HIV (IPs), e per individuarne il sito(i) di legame. La percentuale di legame è stata calcolata attraverso il fattore di capacità (k) dei campioni. Questo parametro in fase acquosa è stato estrapolato linearmente dal grafico log k contro la percentuale (v/v) di 1-propanolo presente nella fase mobile. Solamente per due dei cinque composti analizzati è stato possibile misurare direttamente il valore di k in assenza di solvente organico. Tutti gli IPs analizzati hanno mostrato un’elevata percentuale di legame alla HSA: in particolare, il valore per ritonavir, lopinavir e saquinavir è risultato maggiore del 95%. Questi risultati sono in accordo con dati presenti in letteratura, ottenuti attraverso il biosensore ottico [9]. Inoltre, questi risultati sono coerenti con la significativa riduzione di attività inibitoria di questi composti osservata in presenza di HSA. Questa riduzione sembra essere maggiore per i composti che legano maggiormente la proteina [10]. Successivamente sono stati eseguiti degli studi di competizione tramite cromatografia zonale. Questo metodo prevede di utilizzare una soluzione a concentrazione nota di un competitore come fase mobile, mentre piccole quantità di analita vengono iniettate nella colonna funzionalizzata con HSA. I competitori sono stati selezionati in base al loro legame selettivo ad uno dei principali siti di legame sulla proteina. In particolare, sono stati utilizzati salicilato di sodio, ibuprofene e valproato di sodio come marker dei siti I, II e sito della bilirubina, rispettivamente. Questi studi hanno mostrato un legame indipendente dei PIs ai siti I e II, mentre è stata osservata una debole anticooperatività per il sito della bilirubina. Lo stesso sistema farmaco-proteina è stato infine investigato in soluzione attraverso l’uso del dicroismo circolare. In particolare, è stato monitorata la variazione del segnale CD indotto di un complesso equimolare [HSA]/[bilirubina], a seguito dell’aggiunta di aliquote di ritonavir, scelto come rappresentante della serie. I risultati confermano la lieve anticooperatività per il sito della bilirubina osservato precedentemente negli studi biocromatografici. Successivamente, lo stesso protocollo descritto precedentemente è stato applicato a una colonna di silice epossidica monolitica 50 x 4.6 mm, per valutare l’affidabilità del supporto monolitico per applicazioni biocromatografiche. Il supporto monolitico monolitico ha mostrato buone caratteristiche cromatografiche in termini di contropressione, efficienza e stabilità, oltre che affidabilità nella determinazione dei parametri di legame alla HSA. Questa colonna è stata utilizzata per la determinazione della percentuale di legame alla HSA di una serie di poliamminochinoni sviluppati nell’ambito di una ricerca sulla malattia di Alzheimer. Tutti i composti hanno mostrato una percentuale di legame superiore al 95%. Inoltre, è stata osservata una correlazione tra percentuale di legame è caratteristiche della catena laterale (lunghezza e numero di gruppi amminici). Successivamente sono stati effettuati studi di competizione dei composti in esame tramite il dicroismo circolare in cui è stato evidenziato un effetto anticooperativo dei poliamminochinoni ai siti I e II, mentre rispetto al sito della bilirubina il legame si è dimostrato indipendente. Le conoscenze acquisite con il supporto monolitico precedentemente descritto, sono state applicate a una colonna di silice epossidica più corta (10 x 4.6 mm). Il metodo di determinazione della percentuale di legame utilizzato negli studi precedenti si basa su dati ottenuti con più esperimenti, quindi è necessario molto tempo prima di ottenere il dato finale. L’uso di una colonna più corta permette di ridurre i tempi di ritenzione degli analiti, per cui la determinazione della percentuale di legame alla HSA diventa molto più rapida. Si passa quindi da una analisi a medio rendimento a una analisi di screening ad alto rendimento (highthroughput- screening, HTS). Inoltre, la riduzione dei tempi di analisi, permette di evitare l’uso di soventi organici nella fase mobile. Dopo aver caratterizzato la colonna da 10 mm con lo stesso metodo precedentemente descritto per le altre colonne, sono stati iniettati una serie di standard variando il flusso della fase mobile, per valutare la possibilità di utilizzare flussi elevati. La colonna è stata quindi impiegata per stimare la percentuale di legame di una serie di molecole con differenti caratteristiche chimiche. Successivamente è stata valutata la possibilità di utilizzare una colonna così corta, anche per studi di competizione, ed è stata indagato il legame di una serie di composti al sito I. Infine è stata effettuata una valutazione della stabilità della colonna in seguito ad un uso estensivo. L’uso di supporti cromatografici funzionalizzati con albumine di diversa origine (ratto, cane, guinea pig, hamster, topo, coniglio), può essere proposto come applicazione futura di queste colonne HTS. Infatti, la possibilità di ottenere informazioni del legame dei farmaci in via di sviluppo alle diverse albumine, permetterebbe un migliore paragone tra i dati ottenuti tramite esperimenti in vitro e i dati ottenuti con esperimenti sull’animale, facilitando la successiva estrapolazione all’uomo, con la velocità di un metodo HTS. Inoltre, verrebbe ridotto anche il numero di animali utilizzati nelle sperimentazioni. Alcuni lavori presenti in letteratura dimostrano l’affidabilita di colonne funzionalizzate con albumine di diversa origine [11-13]: l’utilizzo di colonne più corte potrebbe aumentarne le applicazioni.

Study of the components of quality in SO2-free wines obtained by innovative vinification protocols. Evaluation of the pre-fermentative addition of lysozyme and oenological tannins.

The research performed during the PhD candidature was intended to evaluate the quality of white wines, as a function of the reduction in SO2 use during the first steps of the winemaking process. In order to investigate the mechanism and intensity of interactions occurring between lysozyme and the principal macro-components of musts and wines, a series of experiments on model wine solutions were undertaken, focusing attention on the polyphenols, SO2, oenological tannins, pectines, ethanol, and sugar components. In the second part of this research program, a series of conventional sulphite added vinifications were compared to vinifications in which sulphur dioxide was replaced by lysozyme and consequently define potential winemaking protocols suitable for the production of SO2-free wines. To reach the final goal, the technological performance of two selected yeast strains with a low aptitude to produce SO2 during fermentation were also evaluated. The data obtained suggested that the addition of lysozyme and oenological tannins during the alcoholic fermentation could represent a promising alternative to the use of sulphur dioxide and a reliable starting point for the production of SO2-free wines. The different vinification protocols studied influenced the composition of the volatile profile in wines at the end of the alcoholic fermentation, especially with regards to alcohols and ethyl esters also a consequence of the yeast’s response to the presence or absence of sulphites during fermentation, contributing in different ways to the sensory profiles of wines. In fact, the aminoacids analysis showed that lysozyme can affect the consumption of nitrogen as a function of the yeast strain used in fermentation. During the bottle storage, the evolution of volatile compounds is affected by the presence of SO2 and oenological tannins, confirming their positive role in scaveging oxygen and maintaining the amounts of esters over certain levels, avoiding a decline in the wine’s quality. Even though a natural decrease was found on phenolic profiles due to oxidation effects caused by the presence of oxygen dissolved in the medium during the storage period, the presence of SO2 together with tannins contrasted the decay of phenolic content at the end of the fermentation. Tannins also showed a central role in preserving the polyphenolic profile of wines during the storage period, confirming their antioxidant property, acting as reductants. Our study focused on the fundamental chemistry relevant to the oxidative phenolic spoilage of white wines has demonstrated the suitability of glutathione to inhibit the production of yellow xanthylium cation pigments generated from flavanols and glyoxylic acid at the concentration that it typically exists in wine. The ability of glutathione to bind glyoxylic acid rather than acetaldehyde may enable glutathione to be used as a ‘switch’ for glyoxylic acid-induced polymerisation mechanisms, as opposed to the equivalent acetaldehyde polymerisation, in processes such as microoxidation. Further research is required to assess the ability of glutathione to prevent xanthylium cation production during the in-situ production of glyoxylic acid and in the presence of sulphur dioxide.

Grant-free protocols for massive multiple access

In next generation Internet-of-Things, the overhead introduced by grant-based multiple access protocols may engulf the access network as a consequence of the proliferation of connected devices. Grant-free access protocols are therefore gaining an increasing interest to support massive multiple access. In addition to scalability requirements, new demands have emerged for massive multiple access, including latency and reliability. The challenges envisaged for future wireless communication networks, particularly in the context of massive access, include: i) a very large population size of low power devices transmitting short packets; ii) an ever-increasing scalability requirement; iii) a mild fixed maximum latency requirement; iv) a non-trivial requirement on reliability. To this aim, we suggest the joint utilization of grant-free access protocols, massive MIMO at the base station side, framed schemes to let the contention start and end within a frame, and succesive interference cancellation techniques at the base station side. In essence, this approach is encapsulated in the concept of coded random access with massive MIMO processing. These schemes can be explored from various angles, spanning the protocol stack from the physical (PHY) to the medium access control (MAC) layer. In this thesis, we delve into both of these layers, examining topics ranging from symbol-level signal processing to succesive interference cancellation-based scheduling strategies. In parallel with proposing new schemes, our work includes a theoretical analysis aimed at providing valuable system design guidelines. As a main theoretical outcome, we propose a novel joint PHY and MAC layer design based on density evolution on sparse graphs.