Design and development of a mechanically active beating heart-on-chip integrating force-sensing capabilities

Cardiovascular diseases (CDVs) have a great impact on global health, and existing drugs cause side effects and limit only the disease progression, while new drugs fail in preclinical or clinical trials. Current preclinical models, such as 2D in vitro and animal models, fail to reproduce key aspects of the human pathophysiology due to the lack of a three-dimensional structure or inter-species differences. Organs-on-chip (OOC) technology is emerging as a promising approach to create an in vitro cardiac model suitable for drug screening. The work here presented aims to design and validate a mechanically stimulated heart-on-chip device to measure the contractile behaviour of the cardiomyocytes. The device consists of three layers: the bottom layer is a glass coverslip, the middle layer is the mechanical actuation, and the top of the device is the cell culture layer in which, as a proof of concept, fibroblasts and chicken embryo cardiomyocytes were cultured. The design of the top layer was conceived and implemented in four iterations with the aim of measuring the contractile forces induced by the muscle bundles formed by the cells using bending microposts placed inside the culture chamber. The devices were fabricated in PDMS using photolithography and soft lithography techniques. Validation tests were performed on each iteration to experimentally characterize the engineering aspects of the devices. Having established which platform was the most suitable, biological tests were carried out to determine whether the design allow to collect the required data (i.e. muscle bundles formation and measurement of the contractile forces) while maintaining a good viability and allowing the maturation of a functional heart tissue.

Le malattie cardiovascolari (CVDs) hanno un impatto significativo sulla salute globale e i farmaci esistenti causano effetti collaterali e sono in grado di limitare solamente la progressione della malattia, mentre la fase sperimentale dei nuovi farmaci fallisce duranti gli studi preclinici o clinici. Gli attuali modelli preclinici, come modelli 2D in vitro o modelli animali, non permettono di riprodurre gli aspetti chiave della fisiopatologia umana a causa della mancanza di un’organizzazione tridimensionale o di differenze interspecie tra animali e uomini. La tecnologia Organi-su-chip sta emergendo come approccio promettente per ricreare un modello cardiaco in vitro che può essere utilizzato come piattaforma per lo screening di farmaci. Il lavoro qui presentato mira a progettare e validare un dispositivo cuore-su-chip meccanicamente stimolato per misurare la contrattilità dei cardiomiociti. Il dispositivo è costituito da tre strati: un vetrino come strato inferiore, l’attuazione meccanica come strato intermedio, e infine, nello strato superiore è presente la camera di coltura dove sono stati coltivati fibroblasti e cardiomiociti estratti da embrioni di pollo. Il design dello strato superiore è stato pensato e successivamente implementato attraverso quattro diverse iterazioni con lo scopo di misurare la forza di contrazione indotta da fasci muscolari formati dalle cellule attraverso la flessione di micropilastri che sono stati posizionati all’interno della camera di coltura. I dispositivi sono stati fabbricati in PDMS utilizzando tecniche di fotolitografia e soft litografia. Ogni iterazione è stata sottoposta a test per caratterizzare sperimentalmente gli aspetti ingegneristici dei dispositivi. Dopo aver stabilito il dispositivo più adatto, sono stati effettuati test biologici per determinare se quest’ultimo permettesse di raccogliere i dati richiesti (formazione di fasci muscolari e misurazione della forza di contrazione) mantenendo una buona vitalità cellulare e favorendo la maturazione di un tessuto cardiaco funzionale.