Development of a mechanically active, multi-tissue microfluidic device for the culture of three-dimensional osteochondral tissues

Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease, and a major source of pain, disability and socioeconomic cost worldwide. Current therapies are all aimed at alleviating symptoms, while there are no available effective disease-modifying drugs able to reverse the degenerative process. This lack is partly due to the absence of in vitro models able to recapitulate the complexity of OA and provide insight into its pathogenesis. The application of microfluidics to cell biology studies, with the development of organs-on-chips, recently opened up new perspectives in the creation of pathophysiological in vitro models, making it possible to provide cells with accurate biochemical and biomechanical stimuli and with a precisely tailored 3D microenvironment. Moreover, the reduced scale determines a reduction of experimental costs and times, and facilitates the implementation of high-throughput analyses. In this framework, the present work aimed at developing a microfluidic device for the culture and mechanical stimulation of two 3D hydrogel-based cell constructs with a direct interface. The device was used to generate mature osteochondral constructs with a hyaline cartilage compartment (derived from human articular chondrocytes) and a calcified cartilage compartment (derived from mesenchymal stem cells). Moreover, the induction of some key features of OA in the constructs through the application of a cyclic hyperphysiological compression was demonstrated.

L’osteoartrosi (OA) è una patologia articolare degenerativa, e una delle maggiori cause globali di dolore, disabilità e costo socioeconomico. Le terapie attualmente in uso hanno il solo scopo di alleviare i sintomi, mentre non sono disponibili soluzioni in grado di invertire il processo degenerativo. Ciò è in parte dovuto all'assenza di modelli in vitro in grado di ricapitolare la complessità dell'OA e gettare luce sulla sua patogenesi. L’applicazione della microfluidica alla biologia cellulare, insieme allo sviluppo degli organi su chip, ha aperto nuove prospettive per la realizzazione di modelli fisiopatologici in vitro, grazie alla possibilità di fornire alle cellule stimoli biochimici e biomeccanici accurati, e un microambiente 3D realizzato su misura. Inoltre, la riduzione di scala permette di diminuire costi e durata degli esperimenti, e facilita l’implementazione di analisi ad alto rendimento. In questo contesto, l’obiettivo del presente lavoro è sviluppare un dispositivo microfluidico per la coltura e la stimolazione meccanica di due costrutti cellulari 3D a base di idrogeli aventi un’interfaccia diretta. Il dispositivo è stato utilizzato per generare dei costrutti osteocondrali maturi, con un compartimento di cartilagine ialina (derivata da condrociti articolari umani) e un compartimento di cartilagine calcificata (derivato da cellule mesenchimali). Inoltre, è stata valutata l’induzione nei costrutti di alcuni tratti tipici dell’OA, tramite l’applicazione di una compressione sovrafisiologica ciclica.