Development and validation of a microscaled model of osteoarthritic cartilage on chip for the assessment of injectable medical devices efficacy

Osteoarthritis is the most common musculoskeletal disease worldwide and its incidence is expected to grow. Despite the high prevalence of the disease, there is no disease reversing treatment available on the market. The development of such therapies involves the design of more accurate in vitro models. In this work, a 3D microscale model of cartilage on chip was developed and demonstrated capable of reproducing in vitro osteoarthritic traits starting from healthy human joint chondrocytes, with the aim of testing efficacy of injectable medical devices. The osteoarthritic traits are induced in the microconstructs through the application of fine tuned mechanical stimulation. The device was subjected to technical validation, in which the parameters of mechanical stimulation of constructs were optimized, followed by a biological validation to optimize cell expansion and the static and dynamic cell culture parameters. The extraction and amplification protocol of the genetic material has been also optimized to improve the quality of the results compatibly with the model. The compatibility and effectiveness of the model for testing injectable medical devices on osteoarthritic constructs was then evaluated. Two hyaluronic acids for intra- articular use widely spread on the market have been tested inside the model. In conclusion, through the device it was possible to induce the osteoarthritic phenotype in articular cartilage microconstructs, and the resulting model has been proved compatible with the test injectable of anti-OA medical devices.

L’osteoartrite è la malattia muscoloscheletrica più comune nel mondo e la sua incidenza è destinata a crescere. Nonostante l’alta prevalenza della malattia, non esiste sul mercato un trattamento che inverta la malattia. Lo sviluppo di tali terapie comporta la progettazione di modelli in vitro più accurati. In questo lavoro, un modello in microscala 3D di cartilagine su chip è stato sviluppato e dimostrato in grado di riprodurre in vitro costrutti osteoartritici a partire da condrociti articolari umani, con lo scopo di testare l’efficacia di dispositivi medici iniettabili. I tratti osteoartritici sono indotti nei microcostrutti attraverso l’applicazione di una stimolazione meccanica finemente regolata. Il dispositivo è stato sottoposto a una validazione tecnica, in cui sono stati ottimizzati i parametri di stimolazione meccanica dei costrutti, seguita da una validazione biologica per ottimizzare l’espansione cellulare e i parametri di coltura cellulare statica e dinamica. La compatibilità e l’efficacia del modello per testare dispositivi medici iniettabili su costrutti osteoartritici è stata poi valutata. All’interno del modello sono stati testati due acidi ialuronici per uso intra-articolare ampiamente diffusi sul mercato. Infine, il protocollo di estrazione e amplificazione del materiale genetico è stato ottimizzato per migliorare la qualità dei risultati compatibilmente con il modello. In conclusione, attraverso il dispositivo è stato possibile indurre il fenotipo osteoartritico in microcostrutti di cartilagine articolare. Inoltre, il modello è stato validato tecnicamente e biologicamente e si è dimostrato compatibile per testare dispositivi medici iniettabili.