In vitro modelling of the proprioceptive sensory circuit in a compartimentalized microfluidic device

Friedreich’s ataxia (FRDA) is an autosomal-recessive neurodegenerative and cardiac disorder which occurs when the transcription of the FXN gene is silenced due to an excessive expansion of GAA repeats into its first intron. The complex organization of the nervous system poses a challenge in developing effective ways to study neurological disorders. While traditional 2D cultures are useful, they fail to capture the hierarchical structure of the nervous system in living organisms. To address this, researchers have turned to 3D brain organoids and iPSC technology, which allow for the replication of patient-specific aspects of neurological diseases. However, modeling FRDA is particularly difficult due to the involvement of complex sensory circuits that degenerate in this disease, specifically the muscle spindle and DRG proprioceptive neurons. To overcome this, organs on-a-chip have emerged as a promising tool for disease modeling. They can replicate key functions of human tissues and organs in micro-scaled systems and are suitable for coculturing multiple cell types. However, current organ-on-chip models for studying interactions between neurons and muscle cells have mainly focused on motor neurons and intrafusal fibers, while ignoring the afferent component of the proprioceptive circuit, which is the DRG. Herein, we tested and developed two compartmentalized microfluidic devices for the coculture of dorsal root ganglia organoids (DRGO) and intrafusal myofibers (IFF). The here proposed platforms present two compartments intended for DRGO and intrafusal myofibers cultures, respectively, connected to each other through microgrooves guiding axon growth. Three different designs were proposed, differing from each other due to different layouts of the muscle compartment, aiming at assessing the differences between a 2D and a 3D environment in affecting myofibers generation.

L'atassia di Friedreich (FRDA) è una patologia neurodegenerativa e cardiaca autosomica recessiva che si verifica quando la trascrizione del gene FXN viene silenziata a causa di un'eccessiva espansione di ripetizioni GAA nel suo primo introne. La complessa organizzazione del sistema nervoso rappresenta una sfida nello sviluppo di modi efficaci per studiare le patologie neurologiche. Sebbene le colture 2D tradizionali siano utili, non riescono a catturare la struttura gerarchica del sistema nervoso negli organismi viventi. Per affrontare questo problema, i ricercatori si sono rivolti agli organoidi cerebrali 3D e alla tecnologia iPSC, che consentono la replicazione di aspetti specifici delle patologie neurologiche dei pazienti. Tuttavia, modellare la FRDA è particolarmente difficile a causa dell'implicazione di circuiti sensoriali complessi che degenerano in questa malattia, in particolare il fuso muscolare e i neuroni propriocettivi del DRG. Per superare questa difficoltà, gli organi su chip sono emersi come uno strumento promettente per la modellizzazione delle patologie. Essi possono replicare le funzioni chiave di tessuti e organi umani in sistemi micro-scalati e sono adatti per la cocultura di molteplici tipi di cellule. Tuttavia, i modelli di organi su chip attuali per lo studio delle interazioni tra i neuroni e le cellule muscolari si sono principalmente concentrati sui motoneuroni e sulle fibre intrafusali, ignorando il componente afferente del circuito propriocettivo, che è il DRG. In questo studio, abbiamo testato e sviluppato due dispositivi microfluidici compartimentati per la cocultura di organoidi del ganglio radicolare dorsale (DRGO) e fibre muscolari intrafusali (IFF). Le piattaforme proposte qui presentano due compartimenti destinati alle colture di DRGO e IFF, rispettivamente, connessi tra loro attraverso microscanalature che guidano la crescita degli assoni. Sono stati proposti tre diversi progetti, che si differenziano tra loro per le diverse disposizioni del compartimento muscolare, mirando ad valutare le differenze tra un ambiente 2D e 3D nell'influenzare la generazione di miociti.