Design and development of an in-vitro platform to model the glymphatic system, a new player in brain physiopathology

In the last 10 years, some outstanding discoveries questioned our knowledge of cerebrospinal fluid dynamics implications in several brain diseases. In 2012 Nedergaard team observed a convective mechanism of cerebrospinal fluid flow involved in the clearance of interstitial toxic solutes in the brain parenchyma. This newly discovered clearance system was named glymphatic system underlying the importance of glial cells in this lymphatic-like pattern. The accumulation of solutes in the brain parenchyma is a common feature of several medical conditions named fluidopathies. In this scenario, it is particularly relevant the accumulation of amyloid-β protein fragments typical of Alzheimer’s disease, the most common neurodegenerative disorder worldwide. Among the recent breakthrough discoveries, it has been observed a correlation between neurodegeneration and a neuroinflammatory response of the blood-brain barrier and the brain parenchyma. An active role of the glymphatic system in this pathological scenario is questioned. In-vivo experiments were performed to investigate the glymphatic system. Among these, rodents and human patients were the most exploited live models. At this stage in-vitro models for a mechanistic understanding of the phenomena are missing. Hence in this work we propose an innovative in-vitro platform to model the glymphatic system that resembles its key features. We selected design requirements by literature analysis and defined the working conditions of the platform. By exploiting a fluidic system, 3D brain and biological barriers models, solutes transport analysis and computational modelling we developed an accurate glymphatic organ-on-a-chip platform. Considering the possible implication of the glymphatic system in the accumulation of amyloid-β and inflammatory molecules we managed to validate the platform in these two pathological scenarios by exploiting a tunable level of flow and therefore a tunable solutes clearance.

Recenti sviluppi hanno portato alla luce il ruolo fondamentale che la dinamica del fluido cerebrospinale potrebbe avere su diverse patologie del sistema nervoso centrale. Nel 2012 il team di Nedergaard ha osservato un trasporto convettivo del fluido cerebrospinale coinvolto nella rimozione di soluti tossici nel parenchima cerebrale. Questo nuovo sistema di trasporto è stato chiamato sistema glinfatico per sottolineare l’importanza delle cellule della glia in questo processo di rimozione delle sostanze di scarto simile al sistema linfatico. L’accumulo di soluti nel parenchima cerebrale è comune a diverse condizioni patologiche dette fluidopatie. Particolarmente rilevante è l’accumulo di aggregati di proteina beta-amiloide tipica della malattia di Alzheimer, la più comune malattia neurodegenerativa al mondo. Un’altra importante recente scoperta è l’esitenza di una correlazione tra neurodegenerazione e la risposta neuroinfiammatoria della barriera ematoencefalica e del parenchima cerebrale. Un ruolo attivo del sistema glinfatico in questo scenario è attualmente oggetto di studio. Diversi esperimenti in-vivo sono stati condotti su pazienti umani e su modelli animali, tipicamente roditori. Al momento mancano modelli in-vitro per lo studio meccanicistico del fenomeno. In questo lavoro proponiamo dunque una innovativa piattaforma in-vitro per modellizzare il sistema glinfatico e che ne rappresenti le caratteristiche principali. Tramite analisi di letteratura abbiamo selezionato i parametri di progetto e definito le condizioni di funzionamento della piattaforma. Tramite l’uso di un sistema fluidico, l’implementazione di un modello 3D del parenchima cerebrale e delle barriere biologiche coinvolte, l’analisi del trasporto dei soluti e modelli computazionali abbiamo sviluppato un’ accurata piattaforma organ-on-a-chip di sistema glinfatico. Considerando le possibili implicazioni del sistema glinfatico nell’accumulo di beta-amiloide e di molecole infiammatorie abbiamo validato la piattaforma in questi due scenari patologici sfruttando un livello di flusso modulabile e quindi una rimozione dei soluti controllata.