Development of a liver-on-a-chip for improved drug toxicity testing

Drug induced liver injury (DILI) is one of the main causes of approved drug withdrawal from the market and accounts for 50% of acute liver failure cases in Western countries. Attrition due to DILI results from a lack of preclinical models able to accurately predict hepatotoxicity. In vivo animal models have poor sensitivity due to high interspecies differences, and the currently used in vitro models lack reliability in mimicking tissue architecture, thus failing to reproduce physiological cellular responses. [1] In this context, the present project focuses on developing a preclinical model to assess the major mechanisms of DILI. Specifically, the aim of this thesis is the design and characterization of a new human liver-on-a-chip platform, with an appropriate microfluidic system, that resembles some of the human liver functionality. This device was developed in collaboration with a company, Accelera S.R.L., that is interested to test and acquire the know-how of this advanced preclinical model to test drug induced hepatotoxicity. The liver-on-a-chip 3D design includes two chambers separated by a porous membrane, for the co-culture of hepatocytes and liver endothelial cells. The bottom layer contains the hepatocytes culture chamber, while the top layer contains the endothelial cells culture chamber and the channels for their perfusion. This setup allows to simulate the physiological flow in the liver functional unit, exploiting the gravity force induced by a tilting rocker platform. In this way, a unidirectional flow is promoted mimicking the in vivo blood flow in the sinusoid without the necessity to introduce active pumps. The device is fabricated in PDMS using photolithography and soft lithography techniques. A major drawback of PDMS is its high hydrophobicity, which leads to a non-specific ad/absorption of small hydrophobic molecules, including drugs. To overcome this problem, a surface modification was applied to PDMS: a PDMS-PEG copolymer was added to PDMS obtaining a final additive concentration of 0.25% (w/w). [2] This new material has been characterized in terms of hydrophilicity, ad/absorption capacity and biocompatibility. Finally, some preliminary biological tests were conducted to prove the functionality of the device as a support for cultivating liver cells in a physiological manner for a period of two weeks.

Il danno epatico indotto da farmaci (DILI) è la causa principale del ritiro dal mercato di farmaci approvati e rappresenta il 50% dei casi di insufficienza epatica acuta nei paesi occidentali. Ciò deriva dalla mancanza di modelli preclinici in grado di prevedere accuratamente l'epatotossicità. I modelli animali in vivo hanno scarsa sensibilità a causa delle elevate differenze interspecie, e i modelli in vitro attualmente utilizzati mancano di affidabilità nel simulare l'architettura dei tessuti, non riuscendo così a generare risposte cellulari fisiologiche. [1] Il presente progetto si concentra sullo sviluppo di un modello preclinico per valutare i principali meccanismi della DILI. In particolare, l'obiettivo di questa tesi è la progettazione e caratterizzazione di un nuovo modello di fegato-su-chip, con un appropriato sistema microfluidico, che riproduca la funzionalità del fegato umano. Questo dispositivo è stato sviluppato in collaborazione con un'azienda, Accelera S.R.L., che è interessata a testare e acquisire il know-how di questo modello preclinico avanzato per testare l'epatotossicità indotta da farmaci. Il design 3D comprende due camere separate da una membrana porosa, per la co-cultura di epatociti e cellule endoteliali del fegato. Lo strato inferiore contiene la camera di coltura degli epatociti, mentre lo strato superiore contiene la camera di coltura delle cellule endoteliali e i canali per la loro perfusione. Questa configurazione permette di simulare il flusso fisiologico nell'unità funzionale del fegato, sfruttando la forza di gravità indotta da una piattaforma basculante. In questo modo, viene generato un flusso unidirezionale che imita il flusso di sangue in vivo nella sinusoide, senza la necessità di introdurre pompe attive. Il dispositivo è prodotto in PDMS utilizzando tecniche di fotolitografia e soft litografia. Uno dei principali svantaggi del PDMS è la sua elevata idrofobicità, che porta ad un assorbimento non specifico di piccole molecole idrofobiche, compresi farmaci. Per superare questo problema, una modifica superficiale è stata applicata al PDMS: un copolimero PDMS-PEG è stato aggiunto al PDMS ottenendo una concentrazione finale di additivo dello 0.25% (m/m). [3] Questo nuovo materiale è stato caratterizzato in termini di idrofobicità, capacità di assorbimento e biocompatibilità. Infine, sono stati condotti alcuni test biologici preliminari, dimostrando la funzionalità del dispositivo come supporto per la coltivazione di cellule epatiche in modo fisiologico per un periodo di due settimane.