Design and development of a microfluidic platform aimed at studying the active role of immune cells in Rheumatoid Arthritis

Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic, inflammatory autoimmune disease that can cause irreversible joint damage and significant disability. Joint inflammation in RA is closely related to infiltration of immune cells, among which T-cells and macrophages play a critical role. Thus, elucidating the crosstalk between different immune cell types is crucial to better understand RA pathogenesis. Here, we developed a novel 3D microfluidic platform aimed at evaluating the active role of immune cells involved in RA. In particular, the platform was used to study spontaneous migration of activated T-cells towards inflamed macrophages, thanks to the insertion of specific valves mechanism, allowing the trapping of immune cells inside the device and the stimulation of the different cell types separately. The proposed platform comprises two separate culture areas, intended to host macrophages seeded in a 3D matrix, and T-cells in suspension, respectively. The communication between the compartments is controlled through normally closed doormat valves, while T-cells trapping is ensured by a novel technology, named “sieving valves”, i.e. normally closed doormat valves with underneath microfluidic channels that allow fluid perfusion but impair cell escaping. After fabrication through soft lithography, a comprehensive technical validation was performed to preliminarily assess the suitability of the platform for evaluating immune cells cross-talk and migration. Then, the platform was biologically validated optimizing culture conditions and inflammatory stimuli for both macrophages and T-cells, and finally replicating a known mechanism in RA: migration of T-cells activated through anti-CD3 and anti-CD28 was observed towards macrophages inflamed through TNF-alpha. In conclusion, preliminary validations proved that the proposed technology provides a new tool to study the active role of immune system involved in RA. Future developments will include the combination of the technology with other 3D joint tissue models, i.e. synovial membrane including macrophage-like and fibroblast-like synoviocytes, in order to get a deeper understanding about real causes and mechanisms of RA, finally aiming at paving the way for the investigation of new therapeutic strategies.

L'artrite reumatoide (AR) è una malattia autoimmune cronica e infiammatoria che può causare danni irreversibili alle articolazioni e portare ad una disabilità significativa. L'infiammazione articolare nell'AR è strettamente legata all'infiltrazione di cellule immunitarie, tra le quali le cellule T e i macrofagi giocano un ruolo fondamentale. Pertanto, chiarire il cross-talk tra diversi tipi di cellule immunitarie è fondamentale per capire meglio la patogenesi dell'AR. Abbiamo sviluppato una nuova piattaforma microfluidica 3D volta a valutare il ruolo attivo delle cellule immunitarie coinvolte nell’AR. In particolare, la piattaforma è stata utilizzata per studiare la migrazione spontanea verso i macrofagi infiammati delle cellule T attivate, grazie all'inserimento di uno specifico meccanismo di valvole, che permette l'intrappolamento delle cellule immunitarie all'interno del dispositivo e la stimolazione dei diversi tipi di cellule separatamente. La piattaforma proposta comprende due aree di coltura separate, destinate a ospitare rispettivamente i macrofagi seminati in una matrice 3D da un lato e le cellule T in sospensione dall’altro. La comunicazione tra i compartimenti è controllata attraverso valvole Doormat normalmente chiuse, mentre l'intrappolamento delle cellule T è assicurato da una nuova tecnologia, chiamata "valvole sieving", ovvero valvole Doormat normalmente chiuse con canali microfluidici sottostanti, che permettono la perfusione del fluido prevenendo allo stesso tempo la fuga delle cellule. Dopo la fabbricazione attraverso la soft litografia, il dispositivo è stato sottoposto ad una validazione tecnica completa, per analizzare in modo preliminare l'idoneità della piattaforma nel valutare il cross-talk delle cellule immunitarie e la loro migrazione. Successivamente, è stato validato biologicamente, ottimizzando le condizioni di coltura e gli stimoli infiammatori sia per i macrofagi che per le cellule T, e infine, replicando un meccanismo noto nell’AR: la migrazione delle cellule T attivate con anti-CD3 e anti-CD28 è stata osservata verso i macrofagi infiammati con TNF-alfa. In conclusione, le convalide preliminari hanno dimostrato che la tecnologia proposta fornisce un nuovo strumento per studiare il ruolo attivo del sistema immunitario coinvolto nell’AR. Gli sviluppi futuri includeranno la combinazione della tecnologia con altri modelli di tessuto articolare 3D, comprendendo anche i sinoviociti simili a macrofagi e fibroblasti, al fine di ottenere una comprensione più profonda delle cause e dei meccanismi reali dell'AR, con l'obiettivo finale di aprire la strada allo studio di nuove strategie terapeutiche.