Blood-brain barrier-on-a-chip. Hydrogels for improved biological functionality

With the increasing number of patients suffering from neurovascular diseases, the need for an appropriate microenvironment with the ability to host and combine the different cell types present in the neurovascular unit to inspect molecular- and cellular-scale activities and recapitulate human-specific disease conditions has become more imperative. In this study, I developed a blood-brain barrier on-a-chip with the 3D tubular design comprising 6 chambers to be loaded with hydrogels. One novelty introduced in this device was the use of optically clear Off-Stoichiometry Thiol-Ene-epoxies as the material of choice for the fabrication of this blood-brain barrier chip, which offers superior chemical (particularly surface chemistry) and mechanical properties compared to Polydimethylsiloxane used in previous models. Thanks to the templating approach, it became possible to form a cylindrical lumen inside a wide spectrum of hydrogel combinations implemented in this study. Caco-2 and U87 cell lines were used to validate this device. In this dynamic system, which was connected to a peristaltic pump, different seeding density and two different seeding techniques, dynamic and manual, were also tested. Also, different models of cellulose nanofibrils-based hydrogels were investigated. Fluorescence and confocal microscopy of epithelial cells and astrocytes showed that addition of laminin and Matrigel to the collagen type I can enhance the 3D environment, leading to a complete epithelial monolayer as well as the less mortality of cells. In addition, the results showed that bovine collagen type I could be a proper substitute for the rat tail collagen type I since it is less stiff and easier to use. In conclusion, the proposed device represents a suitable model for the blood-brain barrier in-vitro studies.

Con il crescente numero di pazienti affetti da malattie neurovascolari si è fatta più impellente la necessità di un microambiente appropriato avente la capacità di ospitare e combinare i diversi tipi di cellule presenti nell'unità neurovascolare in modo da investigare su scala molecolare e cellulare e ricapitolare le condizioni patologiche specifiche dell'uomo. In questo studio, ho sviluppato una barriera emato-encefalica su un chip con un design tubolare 3D comprendente 6 camere di colture. Una novità introdotta in questo dispositivo è stata l'uso di Off-stechiometry Tiol-Ene-epossidici otticamente trasparente come materiale di scelta per la fabbricazione di questo modello di barriera emato-encefalica su chip, che offre proprietà chimiche (in particolare chimica di superficie) e meccaniche superiori rispetto al Polidimetilsilossano utilizzato nei modelli precedenti. Grazie ad un approccio modulare, è stato possibile formare lumi cilindrici in un ampio spettro di combinazioni di idrogel implementate in questo studio. Le linee cellulari Caco-2 e U87 sono state utilizzate per convalidare questo dispositivo. In un sistema dinamico, collegato ad una pompa peristaltica, sono state testate anche diverse densità di semina e due diverse tecniche di semina, dinamica e manuale. Inoltre, sono stati studiati diversi modelli di idrogel basati su nanofibrille di cellulosa. La microscopia a fluorescenza e confocale delle cellule epiteliali e degli astrociti hanno mostrato che l'aggiunta di Laminina e Matrigel al collagene di tipo I può migliorare l'ambiente 3D, portando a un monostrato epiteliale completo e a una minore mortalità delle cellule. Inoltre, i risultati hanno mostrato che il collagene bovino di tipo I potrebbe essere un adeguato sostituto del collagene di tipo I derivato da coda di ratto poiché è meno rigido e più facile da usare. In conclusione, il dispositivo proposto rappresenta un modello adatto per gli studi in vitro sulla barriera emato-encefalica.