Validation and optimization of a Liver-on-chip for improved drug toxicity testing

Drug-induced liver injury (DILI) is a significant cause of liver injury and a major reason for late-stage drug failures and drug withdrawals. Current preclinical models fail to reproduce human physiological cellular responses due to a lack of tissue architecture, while animal models often fail to accurately detect DILI due to species-specific differences in drug response mechanisms. Human liver microfluidic systems provide a promising solution to this problem by simulating the physiological functions of tissues. In this context, the work here presented aims to validate and optimize a microfluidic device for in vitro hepatotoxicity investigation. This Liver-on-Chip is developed in collaboration with Accelera S.R.L. Two designs are investigated. The first one consists of two cylindric chambers separated by a thin, porous membrane. The bottom layer includes the hepatocytes’ chamber, while the upper layer comprises the endothelial cells’ chamber and the channels for its perfusion. A similar structure is implemented in the second design, which consists of five layers with the addition of a cholangiocytes’ chamber, allowing the seeding of the biliary cells. Both models are conceived to be passive chips: the gravity force is exploited to move fluids within the channels. This configuration allows the simulation of the physiological unidirectional flow in the liver sinusoid. The device is fabricated in PDMS using photolithography and soft lithography techniques. However, PDMS has a significant disadvantage due to its high hydrophobicity, which results in the non-specific absorption of small hydrophobic molecules, like drugs. To address this issue, a surface modification technique was employed by incorporating a PDMS-PEG copolymer into PDMS. This modified material was evaluated for its hydrophilicity, adsorption capacity, and viability. After establishing the primary engineering features of the Liver-on-Chip device, biological tests were conducted to determine which model could effectively cultivate hepatic cells and replicates liver physiology in basal conditions. Finally, after identifying the design and culture method able to guarantee the viability and functionality of all seeded cell types, an experiment to prove that the developed Tri-Culture chip on the rocker can predict hepatotoxicity was performed.

La lesione epatica indotta da farmaci (Drug-induced liver injury, DILI) è una causa significativa di lesione epatica e una delle ragioni principali dei fallimenti e dei ritiri dei farmaci in fase avanzata. Gli attuali modelli preclinici non riescono a riprodurre le risposte cellulari fisiologiche umane a causa della mancanza di architettura tissutale, mentre i modelli animali spesso non riescono a rilevare con precisione il DILI a causa delle differenze specie-specifiche nei meccanismi di risposta ai farmaci. I sistemi microfluidici del fegato umano forniscono una soluzione promettente a questo problema simulando le funzioni fisiologiche dei tessuti. In questo contesto, il lavoro qui presentato mira a validare e ottimizzare un dispositivo microfluidico per l'indagine di epatotossicità in vitro. Questo Fegato-su-Chip è sviluppato in collaborazione con Accelera S.R.L. Vengono studiati due design. Il primo è costituito da due camere cilindriche separate da una sottile membrana porosa. Lo strato inferiore comprende la camera degli epatociti, mentre lo strato superiore comprende la camera delle cellule endoteliali e i canali per la sua perfusione. Una struttura simile è implementata nel secondo design, che consiste in cinque strati con l'aggiunta di una camera di coltura per le cellule biliari. Entrambi i modelli sono concepiti come chip passivi: la forza di gravità viene sfruttata per spostare i fluidi all'interno dei canali, simulando il flusso unidirezionale fisiologico. Il dispositivo è fabbricato in PDMS utilizzando tecniche di fotolitografia e soft litografia. Tuttavia, il PDMS presenta uno svantaggio significativo a causa della sua elevata idrofobicità, che si traduce nell'assorbimento non specifico di piccole molecole idrofobiche, come i farmaci. Per risolvere questo problema, è stata impiegata una modifica superficiale incorporando un copolimero PDMS-PEG nel PDMS. Questo materiale modificato è stato valutato per la sua idrofilia, capacità di adsorbimento e vitalità. Dopo aver stabilito le principali caratteristiche ingegneristiche, sono stati condotti test biologici per determinare quale modello potesse effettivamente coltivare cellule epatiche e replicare la fisiologia del fegato in condizioni basali. Infine, dopo aver identificato il design e il metodo di coltura in grado di garantire la vitalità e la funzionalità di tutti i tipi cellulari seminati, è stato eseguito un esperimento per dimostrare che il chip di tri-coltura posto su rocker può prevedere l'epatotossicità.