Validation and optimization of a multiorgan-on chip platform to test of off-target cardiotoxicity and efficacy of drugs upon hepatic metabolism

Drug-induced hepatotoxicity and cardiotoxicity are the main side-effects that cause drug failures and withdrawals both during the clinical trials and after the release to the market. Organ-on-chip (OOC) and Multiorgan-on-chip (MOOC) devices are becoming an important resource to achieve suitable in vitro models for effective drug screening. This work begins with the optimization of a liver-heart MOOC device already developed in MiMic Lab of Politecnico di Milano. The device consists in an integration of micropatterned co-culture (MPCC) of HepG2 and NIH-3T3 cells, as 2D hepatic model and neonatal rat cardiomyocytes (NRMCs)-laden fibrin gel mechanically stimulated during the microtissue maturation, as 3D cardiac model. Media supply and communication between the models are controlled though systems of normally-closed microfluidic valves. Validation tests have been performed on this device to characterize the opening pressure of valve systems and to verify the functionality of the mechanical stimulation mechanism. Modifications aiming for the device optimization were proposed and evaluated with preliminary tests, such as numerical diffusion simulation conducted by means of COMSOL Multiphysics®. The optimized design was fabricated and a biological campaign was conducted with the administration of Terfenadine, an antihistamine cardiotoxic prodrug that is metabolized by hepatic enzymes in non-cardiotoxic antihistamine drug named Fexofenadine. Cardiotoxicity has been evaluated looking at the cell viability and measuring the spontaneous beating frequency and the field potential duration from recorded electrical signals of cardiac microtissue. The work concludes with the de novo design of a new MOOC hosting 3D models of liver, heart and tumor tissues for anticancer prodrug screenings.

L'epatotossicità e la cardiotossicità rappresentano gli effetti collaterali dei farmaci che maggiormente causano fallimenti e ritiri dei farmaci sia durante gli studi clinici che dopo il rilascio sul mercato. Gli Organ-on-chip (OOC) e Multiorgan-on-chip (MOOC) sono una strategia innovativa nell’ambito dei modelli in vitro che permette di ottenere modelli più efficaci per lo screening di farmaci. Questo lavoro si inserisce in questo ambito con l'ottimizzazione di un dispositivo MOOC fegato-cuore già sviluppato nel MiMic Lab del Politecnico di Milano. Il dispositivo consiste in un'integrazione di un modello epatico 2D, implementato tramite una co-cultura micropatternata (MPCC) di cellule HepG2 e NIH-3T3, e un modello cardiaco 3D, implementato tramite un gel di fibrina caricato di cardiomiociti da ratto neonatale (NRMCs) che viene stimolato meccanicamente durante la maturazione del microtessuto. La comunicazione tra i compartimenti e il flusso di mezzo viene controllata attraverso sistemi di valvole microfluidiche. Prove di validazione sono state eseguite questo dispositivo caratterizzare la pressione di apertura dei sistemi di valvole e per verificare la funzionalità del meccanismo di stimolazione meccanica. Le modifiche finalizzate all'ottimizzazione del dispositivo sono state proposte e valutate con prove preliminari, come la simulazione numerica della diffusione condotta tramite COMSOL Multiphysics®. Il dispositivo ottimizzato è stato fabbricato e esperimenti biologici sono stati eseguiti su di esso tramite la somministrazione di terfenadina, un profarmaco antistaminico cardiotossico che viene metabolizzato da enzimi epatici in un farmaco antistaminici non cardiotossico chiamato Fexofenadina. La cardiotossicità è stata valutata esaminando la vitalità cellulare e misurando la frequenza del battito spontaneo e la durata potenziale del campo da segnali elettrici registrati del microtessuto cardiaco. Il lavoro si conclude con la progettazione di un nuovo MOOC che ospita modelli 3D di fegato, cuore e tessuti tumorali per lo screening di profarmaci antitumorali.