Design and development of a flow focusing microfluidic device for the conformal coating of pancreatic islets in a PEG-based hydrogel

Type 1 diabetes (T1D) is a metabolic disease characterized by hyperglycaemia caused by a lack of insulin secretion from pancreatic beta cells. The goal of conventional therapy is to maintain glucose homeostasis and prevent long-term disease-related complications by injecting exogenous insulin. A more promising strategy is to treat T1D with cell therapies that can respond to the environment: for this kind of treatment, islet transplantation is minimally invasive and safer than whole pancreas transplantation. However, the need of an immunosuppressive therapy severely limits its applicability. Conformal coating (CC) allows the encapsulation of single pancreatic islets in a polymeric membrane that conforms to the shape and size of the islets, resulting in a thin and uniform coating. The membrane allows exchange of small molecules, providing an immunoprotective and cell-supportive microenvironment. The present work shows how a soft lithographic microfluidic device can be exploited to obtain conformally coated islets in a PEG-based hydrogel. The device was designed and tested, and different assays were performed to assess the viability and functionality of the obtained CC clusters. In vitro results demonstrated how to obtain fully polymerized conformal capsules, having a coating thickness that allows passive diffusion of molecules that are critical for islet survival and function, including oxygen, nutrients, and insulin without compromising the vitality and functionality of the encapsulated clusters.

Il diabete di tipo 1 (T1D) è una malattia metabolica caratterizzata da iperglicemia causata da una mancata secrezione di insulina da parte delle cellule pancreatiche. L'obiettivo della terapia convenzionale è mantenere l'omeostasi del glucosio e prevenire le complicanze a lungo termine legate alla malattia, tramite l'iniezione di insulina esogena. Una strategia più promettente è quella di trattare la T1D con terapie cellulari in grado di rispondere all'ambiente: per questo tipo di trattamento, il trapianto di isole è poco invasivo e più sicuro del trapianto di pancreas. Tuttavia, la necessità di una terapia immunosoppressiva ne limita fortemente l'applicabilità. Il rivestimento conformazionale (CC) consente di incapsulare singole isole pancreatiche in una membrana polimerica che si conforma alla forma e alle dimensioni delle isole, ottenendo un rivestimento sottile e uniforme. La membrana consente lo scambio di piccole molecole, fornendo un microambiente immunoprotettivo e di supporto alle cellule. Il presente lavoro mostra come sia possibile sfruttare un dispositivo microfluidico soft-litografico per ottenere isole pancreatiche rivestite in modo conforme in un idrogel a base di PEG. Il dispositivo è stato progettato e testato e sono stati eseguiti diversi saggi per valutare la vitalità e la funzionalità dei cluster CC ottenuti. I risultati in vitro hanno dimostrato come sia possibile ottenere capsule conformali completamente polimerizzate, con uno spessore di rivestimento tale da consentire la diffusione passiva di molecole essenziali per la sopravvivenza e la funzione delle isole pancreatiche, tra cui ossigeno, nutrienti e insulina, senza compromettere la vitalità e la funzionalità dei cluster incapsulati.