Development of a multi-compartmental microfluidic device enabling perfusion and mechanical stimulation in gut- and lung-on-chip models

The high number of patients suffering from gut and lung diseases, calls for an appropriate platform to not only ease the drug testing and reduce its expenses, but also provide a more suitable model compared to traditional approaches. In this study, we developed and optimized a multi-compartmental microfluidic device composed by a top and a bottom channels, separated by a PDMS porous membrane, and two lateral vacuum channels. Thanks to the mechanically active nature of this device, it is possible to recapitulate the main biomechanical features, specifically microcirculation, and peristaltic motions present in vivo. A novel spin-coatable epoxy-based mold of micropillars was developed to fabricate the porous membrane. Moreover, to numerically calculate the nominal strains in stretched porous membrane, a finite element analysis of the region of interest was performed. Caco-2 and HT29-MTX cell lines for gut model, and Calu-3 cell line for lung model, were used to validate the devices. Three different culture methods were tested: pump perfusion, tilting rocker perfusion, and steady. Phase-contrast and confocal microscopy of the cellular epithelium showed faster monolayer formation, better tight junction development and lower cell mortality in perfusion devices with respect to steady cultures. The medium perfusion also led to 3D morphogenesis of gut epithelium. The results could be explained by the shear stress and the continuous medium renewal provided by pump perfusion. Moreover, the permeability assays were performed to assess the barrier functionality of the cellular epithelium on chip. In conclusion, the proposed device represents a suitable epithelial model for several in vitro studies.

L'elevato numero di pazienti che soffrono di malattie intestinali e polmonari richiede una piattaforma appropriata non solo per facilitare la ricerca farmacologica e ridurre le sue spese, ma anche per fornire un modello più adatto rispetto agli approcci tradizionali. In questo studio, abbiamo sviluppato un dispositivo microfluidico multi-compartimentale composto da un canale superiore e uno inferiore, separati da una membrana porosa in PDMS e due canali di vuoto laterali. Grazie alla natura meccanicamente attiva di questo dispositivo, è possibile ricapitolare le principali caratteristiche biomeccaniche, in particolare la microcircolazione e i movimenti peristaltici presenti in vivo. Per fabbricare la membrana porosa è stato sviluppato un protocollo innovativo basato su uno stampo di resina epossidica dotato di micropilastri. Inoltre, per calcolare numericamente le deformazioni nominali di deformazione della PM, è stata eseguita un'analisi agli elementi finiti di una appropriata regione di interesse. Le linee cellulari Caco-2 e HT29-MTX per il modello intestinale e la linea cellulare Calu-3 per il modello polmonare sono state utilizzate per validare i dispositivi. Sono stati testati tre diversi metodi di coltura: perfusione con pompa, perfusione con basculante e statica. Le immagini a contrasto di fase e immunofluorescenza dell'epitelio cellulare hanno mostrato una formazione più veloce del monolayer, un migliore sviluppo delle giunzioni occludenti e una mortalità cellulare inferiore nei dispositivi perfusi rispetto alle colture statiche. La perfusione ha anche portato alla morfogenesi 3D dell'epitelio intestinale. Questi risultati potrebbero essere spiegati dallo sforzo di taglio e dal continuo ricambio del mezzo introdotti dalla perfusione con pompa. Inoltre, sono stati eseguiti test di permeabilità per valutare la funzionalità di barriera dell'epitelio cellulare su chip. In conclusione, il dispositivo proposto rappresenta un modello epiteliale adatto per svariati studi in vitro.