Design of integrated electrodes and exploitation in a novel organ-on-a-chip millifluidic device for integrity assessment of biological barriers

The influence of the intestinal microbiota on the brain, summarized in the theory of the microbiota-gut-brain axis (MGBA), could open important scenarios in order to understand the origin of the neurodegenerative diseases. In this perspective, advanced organ-on-a-chips (OOCs) are a promising strategy to study the MGBA, bridging current in vivo models’ complexity with the in vitro tools’ reproducibility. The multi-OOCs MINERVA platform aspires to investigate the influence of the microbiota’s secretome on the brain through in vitro models on Transwell®-like inserts of the intestinal barrier, the immune system, the blood-brain barrier (BBB) and the brain parenchyma. The intestinal barrier and the BBB are key points for regulating the secretome passage. Thus, it is relevant to assess their functionality for the overall success of a MGBA model, including MINERVA platform. The most widespread technique applied to evaluate epithelial/endothelial barriers is the measurement of the transepithelial/transendothelial electrical resistance (TEER), and different strategies have been undertaken to take TEER measurement inside OOCs. In this work, we have designed and developed TEER electrodes to be integrated in the MINERVA device, the base unit of the MINERVA platform, for non invasive, reliable and real time TEER measurements. The electrodes were conceived to allow the optical access and to be compatible with the cellular environment and with a commercially available instrument for TEER measurements. To pursue our aim, we carried out a detailed numerical simulations study to find the best electrodes’ configuration that led to a homogeneous current density. Then, we 3D printed the masks for the components of the MINERVA device, and we employed them to perform the physical vapor deposition sputtering for electrodes development. To our best knowledge, this makes it the first millifluidic-scale OOC that employs Transwell®-like inserts and it is equipped with integrated electrodes. The functional assessment proved that our system could operate in time with different conditions of insert’s porosity and medium conductivity. Finally, we made a biological assessment with an intestinal epithelium model based on Caco- 2 cells, that is well characterized in literature to simulate the gut epithelial barrier. The system was able to register the alteration of the integrity of the intestinal barrier model once cultured inside our system. The overall results demonstrated that our TEER measurement system successfully integrated in a millifluidic OOC and, more in general, can be potentially applicable to Transwell®-like inserts-based models of biological barriers for advanced toxicity and drug screening experiments.

L'influenza del microbiota intestinale sul cervello, riassunta nella teoria dell'asse microbiota-intestino-cervello (MGBA), potrebbe aprire importanti scenari per comprendere l'origine delle malattie neurodegenerative. In questa prospettiva, gli organ-on-a-chip (OOC) rappresentano una promettente strategia per studiare il MGBA, colmando la complessità dei modelli in vivo con la riproducibilità degli strumenti in vitro. La piattaforma multiorgano MINERVA aspira a studiare l'influenza del secretoma del microbiota sul cervello attraverso modelli in vitro su inserti simili a Transwell® della barriera intestinale, del sistema immunitario, della barriera ematoencefalica (BBB) e del parenchima cerebrale. La barriera intestinale e la BBB sono punti chiave per regolare il passaggio del secretoma. Pertanto, è rilevante valutare la loro funzionalità per il successo complessivo di un modello di MGBA, inclusa la piattaforma MINERVA. La tecnica più diffusa applicata per valutare l’integrità delle barriere epiteliali/endoteliali è la misurazione della resistenza elettrica transepiteliale/transendoteliale (TEER). Sono state intraprese diverse strategie per effettuare la misurazione della TEER all'interno degli OOC. In questo lavoro, abbiamo progettato e sviluppato elettrodi TEER da integrare nel dispositivo MINERVA per misurazioni TEER non invasive, affidabili e in tempo reale. Gli elettrodi sono stati concepiti per consentire l'accesso ottico e per essere compatibili con l'ambiente cellulare e con uno strumento disponibile in commercio per misure della TEER. Per raggiungere il nostro obiettivo, abbiamo effettuato uno studio dettagliato di simulazioni numeriche al fine di trovare la migliore configurazione degli elettrodi che portasse a una densità di corrente omogenea. Quindi, abbiamo stampato in 3D le maschere per i componenti del dispositivo MINERVA e le abbiamo impiegate per eseguire la deposizione fisica da vapore per lo sviluppo degli elettrodi. Per quanto ne sappiamo, questo lo rende il primo OOC su scala millifluidica che impiega inserti simili a Transwell® ed è dotato di elettrodi integrati. La valutazione funzionale ha dimostrato che il nostro sistema può operare nel tempo con diverse condizioni di porosità dell'inserto e di conducibilità del medium. Infine, abbiamo effettuato una valutazione biologica con un modello di epitelio intestinale basato su cellule Caco-2, che è ben caratterizzato in letteratura per simulare la barriera epiteliale intestinale. Il sistema è stato in grado di registrare l'alterazione dell'integrità del modello di barriera intestinale coltivato all'interno del nostro sistema. I risultati complessivi hanno dimostrato che il nostro sistema di misurazione TEER si è integrato con successo in un OOC millifluidico e, più in generale, può essere potenzialmente applicabile a modelli di barriere biologiche basati su inserti simili a Transwell® per esperimenti avanzati di tossicità e screening dei farmaci.