Development of a high-throughput mechanically actuated microfluidic platform for the generation of cardiac fibrosis in vitro models

After an acute event (MI), the myocardium enters in a profibrotic state and it is subjected to a wound healing process [1]. However, when an excessive activity of the myofibroblasts and deposition of ECM occur, cardiac fibrosis takes place [2]. ‘Heart-on-chip’ platforms mimic the structure and the mechanical and electrical cues present in the native heart. The aim of the current work was the development of a mechanically actuated multi-chamber heart-on-chip, which coupled the mechanical stretching system adopted in the Marsano single-chamber heart-on-chip [7] with a recently introduced technique to obtain multiple 3D replicates in the same microfluidic platform implemented by Visone et al. [9]. The independence of the culture chambers in the top culture layer during the application of a cyclic mechanical stimulation and the optimal actuation pressure level to be applied were evaluated. As preliminary biological validation, the biological models developed on the single-chamber heart-on-chip by Marsano et al. [7] (healthy cardiac constructs) and by Occhetta, Isu et al. [8] (cardiac fibrotic scar constructs) were replicated in the new developed platform. The microfluidic device was then used to investigate the role of cardiomyocytes (CM) in the formation of a fibrotic scar tissue. The triple actuation chamber layout maintained the culture chambers independent, and the optimal actuation pressure level to be applied resulted to be 500 mmHg. The preliminary biological validations demonstrated the capability of the device to replicate the past results performed on single-chamber devices: the mechanical stimulation alone could enhance the replication in vitro of the typical fibrotic switch of fibroblasts (FB) into MyoFs when only FB were cultured, and it could also allow an increased maturation and functionality of the cardiac constructs when CM were cultured. By culturing CM and FB in the devices with four different ratios, the good contractility of the constructs was present only in the 80%CM-20%FB and 50%CM-50%FB groups. The hypothesis that CM could prevent the scar formation process when present in a co-culture with FB seemed to be verified in this study. The technical validation of the device demonstrated its functionality, and a biological assessment proved its ability to generate, thanks to the presence of the cyclic mechanical stimulation, either fibrotic scar-like or healthy and functional tissues.

A seguito di un evento acuto (infarto miocardico), il miocardio entra in uno stato pro-fibrotico ed è soggetto a un processo di guarigione [1]. Tuttavia, quando vi è un’eccessiva attività dei miofibroblasti e di deposizione di matrice, si sviluppa la fibrosi cardiaca [2]. Gli “heart-on-chip” imitano la struttura e gli stimoli meccanici ed elettrici presenti nel cuore. Lo scopo del presente lavoro è stato lo sviluppo di un dispositivo “heart-on-chip” multi-camera stimolato meccanicamente che accoppiasse il meccanismo di stretching meccanico adottato nell’ “heart-on-chip” di Marsano et al. [7] con una tecnica introdotta recentemente per avere più replicati nella stessa piattaforma utilizzata da Visone et al. [9]. E’ stata valutata l’indipendenza delle camere nello strato superiore per coltura cellulare durante l’imposizione di una stimolazione meccanica ciclica, ed è stata valutata la pressione ottimale necessaria da applicare. Come validazione biologica preliminare, i modelli biologici sviluppati da Marsano et al. [7] (costrutti cardiaci fisiologici) e da Occhetta, Isu et al. [8] (costrutti cicatriziali fibrotici) sono stati replicati nella nuova piattaforma. Il dispositivo microfluidico è stato poi utilizzato per investigare il ruolo dei cardiomiociti (CM) nella formazione di un tessuto cicatriziale fibrotico. La tripla camera di attuazione ha mantenuto le camere di coltura indipendenti, e l’ottima pressione di attuazione da applicare è risultata 500 mmHg. Le validazioni biologiche preliminari hanno dimostrato la capacità del dispositivo di replicare i precedenti risultati ottenuti sui dispositivi a singola camera: la stimolazione meccanica da sola ha potuto permettere la replica in vitro del tipico fibrotico cambio di fenotipo dei fibroblasti (FB) nel diventare miofibroblasti quando sono stati messi in coltura solamente FB, e ha potuto anche permettere una maggiore maturazione e funzionalità dei costrutti cardiaci quando sono stati messi in coltura CM. Mettendo in coltura CM e FB nei dispositivi con quattro diverse percentuali, si ha avuto una buona contrattilità dei costrutti solo nei gruppi 80%CM-20%FB e 50%CM-50%FB. L’ipotesi che i CM potessero evitare il processo di formazione di tessuto fibrotico quando presenti in co-coltura con FB è sembrata essere verificata in questo studio. La validazione tecnica del dispositivo ha dimostrato la sua funzionalità, e una valutazione biologica ha provato la sua capacità di generare, grazie alla presenza della stimolazione meccanica, sia tessuti fibrotici cicatriziali che tessuti sani funzionali.