Development of a high-throughput microfluidic platform for the identification of in vitro cartilage repair strategies

The aim of this project was the development of microfluidic platforms integrating (i) a 3D area for cell culturing, (ii) a serial dilution generator for cell conditioning and (iii) a system for multiple on-chip readouts. These platforms were further exploited for the successful generation of in vitro models in the field of cartilage repair. To achieve this goal, a previous chip design was exploited and subsequently improved. The functional unit of this pre-existing device was composed by a seeding inlet channel and a 3D area for cell culturing. Although this device allowed for high-throughput immunofluorescence analyses thanks to the optical transparency of its material (PDMS), on-chip quantitative readout options were somehow limited. In fact, a modification was required to prevent cells accumulation at the outlet chamber channels during the seeding phase; indeed, cells trapped outside the culture chambers –not undergoing the intended treatment- had to be excluded from subsequent analyses. A bypass channel was thus integrated downstream the 3D culture area, right after the last microchamber. This channel allowed to collect cell lysate or secretome only from cells present in the 3D culture area, without loss of information, thus gene expression and secretome quantification could be perform within the device. This novel system for multiple on-chip readouts was preliminary validated by means of computational fluid dynamic simulations and thanks to two well-established biological models. Afterwards, it was integrated with a serial dilution generator, able to condition cells in a linear or logarithmic way, and exploited to establish an in vitro model of cartilage in order to study osteoarthritis and a possible strategy to reduce its progression. Briefly, a medium collecting molecules secreted by nasal chondrocytes was produced and its effect over osteoarthritic chondrocytes recovery from inflammation was assessed within the microfluidic device in a high-throughput way. Results showed that a dilution of 80% of this medium is effective in reducing inflammation being a possible agent/drug targeting osteoarthritis.

Lo scopo di questo progetto è lo sviluppo di piattaforme microfluidiche che integrano (i) un’area 3D per colture cellulari, (ii) un generatore di diluizioni seriali per stimolare le cellule e (iii) un sistema per multiple analisi. Queste piattaforme sono state utilizzate con successo per generare avanzati modelli in vitro di cartilagine. A questo scopo, un dispositivo precedentemente sviluppato è stato ottimizzato. L’unità funzionale di questo dispositivo era composta da un canale preposto alla semina delle cellule e un’area di coltura 3D costituita da una serie di camerette cubiche. Nonostante questo dispositivo abbia permesso di effettuare efficienti analisi in immunofluorescenza, grazie alla trasparenza del suo materiale (PDMS), delle limitazioni tecniche hanno impedito di effettuare ulteriori analisi più quantitative, necessarie per uno studio completo e affidabile. Infatti, una modifica è stata necessaria per evitare l’accumulo di cellule nel canale di uscita, dove l’assenza delle camerette impedisce l’aggregazione. Pertanto queste cellule non subiscono il trattamento desiderato e devono essere escluse dalle analisi. Un canale di bypass è stato, quindi, aggiunto appena a valle dell’ultima cameretta. Questo canale permette di raccogliere informazioni, quali il lisato cellulare o il secretoma, solo dalle cellule presenti nell’area 3D senza perdere alcun materiale. Grazie a questo sistema, la quantificazione dell’espressione genica e di proteine presenti nel secretoma è stata effettuata nel chip. Il nuovo sistema per analisi multiple è stato validato computazionalmente e grazie a due modelli biologici ben noti. Successivamente è stato integrato a un generatore di diluizioni seriali, in grado di stimolare le cellule con concentrazioni di molecole variabili in modo lineare o logaritmico. Infine è stato sfruttato per la generazione di un modello in vitro di cartilagine allo scopo di studiare l’osteoartrite e una strategia per ridurne il decorso. In particolare, un mezzo contenente le molecole secrete da condrociti nasali è stato prodotto ed il suo effetto ne ridurre l’infiammazione di condrociti osteoartritici è stato investigato nel dispositivo microfluidico. I risultati hanno mostrato che una diluizione all’80% di questo mezzo è efficace nel ridurre l’infiammazione, figurandosi come un candidato farmaco contro l’osteoartrite.