Microfluidic encapsulation of intestinal epithelial cells for the automated production of intestinal organoids

Organoids, organ-mimicking multicellular structures derived from pluripotent stem cells or organ progenitors, have recently emerged as an important system for both studies of stem cell biology and development of potential therapeutics; however, a large-scale and reproducible culture of organoids, a prerequisite for their industrial and clinical applications, have remained a challenge. Current organoid culture systems rely on embedding the stem or progenitor cells in bulk extracellular matrix (ECM) hydrogels (e.g. Matrigel) or on aggregating the cells in microwells; in both cases, the scalability and reproducibility are hindered by manual operations. Here, we show the potentialities of droplet microfluidics methods for the automated production of intestinal organoids in hydrogel microcapsules. A droplet microfluidic device has been used to develop two types of liquid-core alginate-shell microcapsules: one with a methylcellulose core and the other with a polyethylene glycol (PEG) core. The encapsulated mouse intestinal epithelial cells self-assembled in the typical intestinal cysts, but they could not grow in dimension and differentiate. The high viscosity of the methylcellulose solution prevented the cell sedimentation and possibly affected the growth and maturation of the intestinal organoids. Nevertheless, the low viscosity core of the PEG-based capsules can provide major improvements to the biological validation of our encapsulation system.

Gli organoidi, strutture multicellulari capaci di mimare organi e derivate da cellule staminali pluripotenti o da cellule progenitore, stanno emergendo come un potente sistema per lo studio della biologia delle cellule staminali e per lo sviluppo di terapie; ciononostante, la produzione in larga scala e la riproducibilità della coltura degli organoidi, prerequisito per il loro impiego in applicazioni industriali e cliniche, rimangono tuttora una sfida. I sistemi di coltura degli organoidi si basano sull'includere cellule staminali o progenitore in idrogeli ottenuti da componenti della matrice extracellulare (es. Matrigel) o sull'aggregare le cellule in micropozzetti; in entrambi i casi, la scalabilità e la riproducibilità sono ostacolate da operazioni manuali. In questo studio mostriamo le potenzialità di metodi di droplet microfluidics per la produzione automatizzata di organoidi intestinali in microcapsule di idrogelo. Un dispositivo microfluidico è stato utilizzato per sviluppare due tipi di microcapsule con core liquido e shell di alginato: uno con un core a base di metilcellulosa e uno a base di polietilene glicole (PEG). Cellule epiteliali intestinali di topo si assemblarono nel core delle capsule nelle tipiche cisti intestinali, ma non poterono crescere in dimensione nè differenziare. L'elevata viscosità della soluzione di metilcellulosa prevenì la sedimentazione cellulare e probabilmente influenzò la crescita e la maturazione degli organoidi intestinali. Ciononostante, la bassa viscosità del core delle capsule a base di PEG può introdurre consistenti miglioramenti alla validazione biologica del nostro sistema di incapsulamento.