Developing an Organ-on-Chip platform with an integrated impedance measuring system to assess cellular parameters in a 3D culture

Over the past few years, 3D models for the testing of new drugs developed into new types of platforms, such as Organs-on-Chip (OoC), that allow to better replicate the complexity of human tissues and their specific physiological or pathological state. It is possible to integrate these devices with sensors for direct or indirect measuring of cellular parameters, both directly related to cells or, more generally, to the whole culture, such as viability of the cells, specific factors expression or the concentrations of metabolites in the medium. One of the possible means for the monitoring is electrical impedance spectroscopy, whose use is widespread for 2D cultures but can be also applied to the tri-dimensional case, though needing care in organising the setup of the electrodes in contact with the culture. The aim of this work is to develop a novel OoC platform with an integrated impedance measuring system, to evaluate cellular parameters that can be correlated with impedance values. The setup created was, then, characterized and validated, both with technical tests and biological experiments; these were performed using A549 cells, inspired by the work of Pan et al. (2020), for a first try of the system with cells embedded in Matrigel, while, following what Visone et al. (2023) reported, human cardiac fibroblasts (hCFs) were used for a second set of experiments, using fibrin gel. Furthermore, with the intention of applying the system to study a relevant condition, it was decided to conduct an experiment to study the correlation between impedance and the fibrotic behaviour of hCFs. These cells play a relevant role in repairing and regenerating the myocardium after it sustained damage, but at the same time when this process is over-stimulated, for example due to extensive and excessive damaging of the tissue, the patient who suffered from a heart failure may incur in cardiac fibrosis. One of the activation pathways that stimulate hCFs to produce extracellular matrix (ECM) proteins is that lead by TGF-β1; for this reason, the experiment was organised to evaluate differences in new matrix deposition between cells stimulated with said factor and untreated ones.

Negli ultimi anni i modelli 3D per la sperimentazione di nuovi farmaci si sono sviluppati in nuovi tipi di piattaforme, come gli Organs-on-Chip (OoC), che consentono di replicare meglio la complessità dei tessuti umani e il loro specifico stato fisiologico o patologico. È possibile integrare questi dispositivi con sensori per la misurazione diretta o indiretta di parametri cellulari, direttamente legati alle cellule o, più in generale, all'intera coltura, come la vitalità delle cellule, l'espressione di fattori specifici o le concentrazioni di metaboliti nel mezzo. Uno dei possibili modi per monitorare è la spettroscopia di impedenza elettrica, il cui uso è diffuso per le colture 2D ma può essere applicato anche al caso tridimensionale, pur richiedendo attenzione nell'organizzazione del setup degli elettrodi a contatto con la coltura. Lo scopo di questo lavoro è sviluppare una nuova piattaforma OoC con un sistema integrato per la misurazione dell'impedenza, al fine di valutare i parametri cellulari che possono essere correlati con i valori di impedenza. Il setup creato è stato quindi caratterizzato e validato, sia con prove tecniche che con esperimenti biologici; questi ultimi sono stati eseguiti utilizzando cellule A549, ispirandosi al lavoro di Pan et al. (2020), per una prima prova del sistema con cellule incorporate in Matrigel, mentre, seguendo quanto riportato da Visone et al. (2023), sono stati utilizzati fibroblasti cardiaci umani (hCF) per una seconda serie di esperimenti, utilizzando gel di fibrina. Inoltre, con l'intenzione di applicare il sistema allo studio di una condizione rilevante, si è deciso di condurre un esperimento per studiare la correlazione tra l'impedenza e il comportamento fibrotico degli hCF. Queste cellule svolgono un ruolo importante nella riparazione e rigenerazione del miocardio dopo che questo ha subito un danno, ma allo stesso tempo quando questo processo è sovrastimolato, ad esempio a causa di un danno esteso ed eccessivo del tessuto, il paziente che ha sofferto di un'insufficienza cardiaca può incorrere nella fibrosi cardiaca. Una delle vie di attivazione che stimolano gli hCF a produrre proteine della matrice extracellulare (ECM) è quella guidata dal TGF-β1; per questo motivo, l'esperimento è stato organizzato per valutare le differenze nella deposizione di nuova matrice tra le cellule stimolate con tale fattore e quelle non trattate.