Development of advanced setups with integrated readouts for evaluation of cardiac toxicity in a heart on chip device

Organs-on-chip technology has recently emerged as a promising tool to generate advanced cardiac tissue in vitro models. Its potentiality is due not only to the ability of recapitulating key physiological cues of the native myocardium, but also to provide a means to directly analyse functional parameters of the cultured samples. Different commercially available platforms allow for carrying out different types of functional analysis (e.g. electrophysiology or contractility), but their combination within systems ad-hoc developed to mimic biophysical cues of primary myocardium are still poorly applied. The aim of this work was to exploit a microfluidic platform (i.e., uHeart) able to culture a cell-laden hydrogel and integrating a mechanical and electrical system to develop different experimental set-up for the analyses of microtissues properties through combined readouts (i.e. video acquisition and electric field recording). The models were generated by using cardiomyocytes (from human or animal origin) and cardiac fibroblasts and were developed by exploiting different stimulating set-up. Furthermore, a comparison between this device and commercially available micro-electrode array (MEA) systems, the standard for 2D cardiac electrophysiology, was performed to assess and compare the evolution of the developed cellular models (i.e., spontaneous beating onset time, synchronicity, and electrophysiological parameters). Finally, drug cardiotoxicity screening was carried out to preliminarily assess the ability of uHeart to be used as a predictor of cardiotoxicity, such as MEA systems.

La tecnologia degli Organi-su-chip sta emergendo sempre più come strumento promettente per la generazione di avanzati modelli in vitro di micro-tessuti cardiaci. La sua potenzialità non è dovuta solo all’abilità di riprodurre aspetti fisiologici chiave del miocardio nativo, ma anche alla possibilità che offre di analizzare direttamente diversi parametri riguardanti la funzionalità cellulare. Diverse piattaforme attualmente disponibili sul mercato in questo campo permettono di condurre differenti tipologie di analisi funzionali (e.g. elettrofisiologia o contrattilità), ma la loro combinazione con sistemi sviluppati ad-hoc per riprodurre gli stimoli biofisici tipici del miocardio primario è ancora scarsamente applicata. Lo scopo di questa tesi, dunque, era utilizzare una piattaforma microfluidica (e.g., uHeart) che permette la coltura di un costrutto costituito da cellule incorporate in un idrogel, e che integra al suo interno un sistema d’attuazione elettrico e meccanico, al fine di ottimizzare un setup sperimentale volto alla lettura simultanea e/o combinata di diversi parametri (e.g., acquisizione video e registrazione dei segnali elettrofisiologici) per determinare il comportamento di micro-tessuti cardiaci (di origine sia animale che umana) sviluppati sfruttando diversi apparati di stimolazione. Inoltre, è stato effettuato un confronto tra questo dispositivo e dei sistemi Micro-Electrodes Array (MEA) commercialmente disponibili, lo standard odierno per l’elettrofisiologia cardiaca in 2D, per valutare e confrontare l’evoluzione dei modelli cellulari sviluppati (e.g., tempistica di esordio del battito spontaneo, parametri di sincronicità ed elettrofisiologici). Infine, è stato svolto uno screening di tossicità farmacologica per valutare preliminarmente l’abilità di uHeart di essere usato come sistema predittivo di cardiotossicità, così come le piattaforme MEA.