Computational and biological assessment of an innovative gut-on-a-chip device for a multi-organ platform suitable for Alzheimer's disease drug screening

The process of developing new drugs is costly and time-consuming. To assure both their safety and efficacy, potential drug must undergo a lengthy and complicated process that may last from 6 to 15 years. Before being tested on humans, the target compound is examined and assessed with conventional in vitro and in vivo models that fail to entirely characterize the processes of the drug metabolization that occur in a human body. However, the current in vitro two-dimensional (2D) or three-dimensional (3D) cell models may be greatly improved thanks to the organ-on-chip (OoC) technology, that tries to contribute to this aspect by integrating microfluidics technologies with engineered cell cultures to establish models that are closer to the human physiology. It is possible to use the OoC technology to achieve the multi organ crosstalk, which is crucial in drug screening research, by connecting various OoC hosting various cell-based models of the organs of interest. Such models would resemble more closely the human in vivo situation giving predictable results, increasing as consequence the success rates of preclinical assays, minimizing also costs and accelerating the development of new therapies. The aim of the present work, developed in the field of OoC-based in vitro models for drug studies, was to deliver a gut-on-a-chip (GOC), hosting human primary colonic epithelial cells interfaced with human endothelial cells. This GOC should be also part of an innovative multiorgan-on-a-chip (MOOC) platform featuring six millifluidic OoC devices serially interconnected: human gut intestinal microflora, collectively named “microbiota”, the gut epithelium, the immune system, the liver, the Blood-Brain Barrier and the brain, for applications of drug testing and personalized medicine with a focus on dementia drug research. To deliver the GOC, three main goals have been considered. Firstly, the selection of the optimal flow rate for the GOC dynamic cells culture has been performed through a computational and experimental approach. Secondly, the evaluation of the kinetics of an Alzheimer’s disease drug, Donepezil, inside the GOC with a computational and experimental approach has been carried out. Finally, as third step, the evaluation of a preliminary integration of the GOC in a multi organ-system composed by the GOC, the immune-on-a-chip and the liver-on-a-chip, also in presence of Donepezil administration, has been performed. We demonstrated that the GOC, based on the MINERVA 2.0 device, a patented 3D printable and optically accessible millifluidic bioreactor, was suitable for the culture of human primary colonic epithelial cells. In addition, Donepezil administration did not cause either cells toxicity or reduction the gut barrier permeability, as expected. A preliminary connection with the immune and liver devices of the MOOC platform showed that intestinal epithelial cells were still alive and functional under perfusion, also after the administration of Donepezil. Of relevance, our MOOC platform approach can be translated to personalized-medical applications because we demonstrated that it was suitable to culture human patient-derived primary colonic cells and also stem-cell derived endothelial cells, so in principle many different types of single patient-derived cells lines can be investigated. In conclusion, we were able to develop a GOC that, thanks to the innovative MINERVA 2.0 technology, can be serially connected to other units, creating a MOOC platform that is a relevant model of the drug metabolization process and that accelerates the development of new therapies.

Il processo di sviluppo di nuovi farmaci è costoso e richiede molto tempo. Per garantirne la sicurezza e l'efficacia, i potenziali farmaci devono essere sottoposti a un processo lungo e complicato che può durare da 6 a 15 anni. Prima di essere testato sull'uomo, il composto target viene esaminato e valutato con modelli convenzionali in vitro e in vivo che non riescono a caratterizzare completamente i processi di metabolizzazione del farmaco che avvengono nel corpo umano. Tuttavia, gli attuali modelli cellulari bidimensionali (2D) o tridimensionali (3D) in vitro possono essere notevolmente migliorati grazie alla tecnologia organ-on-chip (OoC), che cerca di contribuire a questo aspetto integrando le tecnologie microfluidiche con colture cellulari ingegnerizzate per stabilire modelli più vicini alla fisiologia umana. È possibile utilizzare la tecnologia OoC per ottenere il crosstalk multiorgano, fondamentale nella ricerca sullo sviluppo dei farmaci, collegando vari OoC che ospitano diversi modelli cellulari degli organi di interesse. Tali modelli assomiglierebbero più da vicino alla situazione umana in vivo, fornendo risultati prevedibili, aumentando di conseguenza le percentuali di successo dei test preclinici, minimizzando anche i costi e accelerando lo sviluppo di nuove terapie. L'obiettivo del presente lavoro, sviluppato nel campo dei modelli in vitro basati sui dispositivi OoC per lo studio dei farmaci, è stato quello di fornire un gut-on-a-chip (GOC), che ospita cellule epiteliali primarie umane di colon interfacciate con cellule endoteliali umane. Questo GOC dovrebbe essere anche parte di una piattaforma innovativa multiorgan-on-a-chip (MOOC) con sei dispositivi millifluidici OoC interconnessi in serie: la microflora intestinale umana, denominata collettivamente "microbiota", l'epitelio intestinale, il sistema immunitario, il fegato, la barriera emato-encefalica e il cervello, per applicazioni di sperimentazione di farmaci e medicina personalizzata con particolare attenzione alla ricerca sui farmaci per la demenza. Per realizzare il GOC, sono stati presi in considerazione tre obiettivi principali. In primo luogo, la selezione della velocità di flusso ottimale per la coltura dinamica di cellule GOC è stata effettuata attraverso un approccio computazionale e sperimentale. In secondo luogo, è stata valutata la cinetica di un farmaco contro la malattia di Alzheimer, il Donepezil, all'interno del GOC con un approccio computazionale e sperimentale. Infine, come terzo passo, è stata effettuata la valutazione di un'integrazione preliminare del GOC in un sistema multiorgano composto dal GOC, dall'immune-on-a-chip e dal liver-on-a-chip, anche in presenza di somministrazione di Donepezil. Abbiamo dimostrato che il GOC, basato sul dispositivo MINERVA 2.0, un bioreattore millifluidico brevettato stampabile in 3D e otticamente accessibile, era adatto alla coltura di cellule epiteliali del colon primarie umane. Inoltre, la somministrazione di Donepezil non ha causato né tossicità alle cellule né ridotto la permeabilità della barriera intestinale, come previsto. Un collegamento preliminare con i dispositivi immune e liver della piattaforma MOOC ha dimostrato che le cellule epiteliali intestinali erano ancora vive e funzionali sotto perfusione, anche dopo la somministrazione di Donepezil. L'approccio della nostra piattaforma MOOC può essere tradotto in applicazioni di medicina personalizzata, poiché abbiamo dimostrato che è adatto alla coltura di cellule primarie del colon derivate da pazienti umani e anche di cellule endoteliali derivate da cellule staminali, per cui in linea di principio è possibile studiare molti tipi diversi di linee cellulari derivate da singoli pazienti. In conclusione, siamo riusciti a sviluppare un GOC che, grazie all'innovativa tecnologia MINERVA 2.0, può essere collegato in serie ad altre unità, creando una piattaforma MOOC che rappresenta un modello rilevante del processo di metabolizzazione dei farmaci e che accelera lo sviluppo di nuove terapie.