Integration of customized electrodes in a bicompartmental microphysiological system for Trans Epithelial Electrical Resistance measurements

Biological barriers in the human body play crucial roles in maintaining homeostasis by regulating interactions between compartments. Dysfunction of these barriers is associated with various diseases, underscoring the need for physiologically relevant in vitro models. Microphysiological systems (MPS), or Organ-on-Chip (OoC) systems, are cutting-edge models explored as alternatives for drug screening. A limitation of current OoC systems is the absence of sample parameter monitoring capabilities, leading to active research in MPS sensorization. Trans Epithelial Electric Resistance (TEER) measurements are essential for quantifying barrier permeability non-invasively. Although commercial TEER systems are widely used, they may not be suitable for MPS applications. Consequently, there is growing interest in developing customized TEER electrodes for specific MPS devices. The integration of electrodes into MPS often lacks standardized guidelines, impacting the performance and scalability of TEER monitoring systems. To address these challenges, this work proposes six key features for a rational prototyping process of MPS-specific TEER electrodes. In line with these features, the study focuses on a specific modular MPS : the True Tissue on Platform (TToP). This work propose an innovative and versatile approach for electrodes fabrication and implements it in the TToP static module for TEER measurements. This approach involves the use of gold in form of edible sheets as economic source of the metal for electrodes production. TToP static module compatible electrodes are designed to emulate commercial ones while addressing their limitations. This approach enable a reliable comparison with the standard throughout the project. An assessment of the production process parameters is done to evaluate the coupling of materials and fabrication techniques used. This is followed by the validation of electrodes produced, assessing their biocompatibility, functionality and reliability in measurements. Electrodes are then integrated in a multiplexing system that enhance throughput.

Le barriere biologiche svolgono ruoli cruciali nel mantenimento dell’omeostasi regolando le interazioni tra i compartimenti corporei. Il malfunzionamento di queste barriere è associato a varie malattie e meccanismi fisiopatologici. Nasce quindi la necessità di sviluppare modelli in vitro fisiologicamente rilevanti. I sistemi microfisiologici (MPS), sono modelli all’avanguardia esplorati come alternative per lo screening standard dei farmaci. Una limitazione degli MPS attuali è l’assenza di capacità di monitoraggio dei parametri del campione, che ha portato alla ricerca attiva nella sensorizzazione di questi dispositivi. Le misurazioni della resistenza elettrica trans-epiteliale (TEER) sono essenziali per quantificare la permeabilità della barriera in modo non invasivo. Anche se i sistemi TEER commerciali sono ampiamente utilizzati, potrebbero non essere adatti per le applicazioni degli MPS. Di conseguenza, c’è un crescente interesse nello sviluppo di elettrodi TEER personalizzati per dispositivi MPS specifici. L’integrazione degli elettrodi negli MPS spesso manca di linee guida standardizzate, influenzando le prestazioni e la scalabilità dei sistemi di monitoraggio TEER. Per affrontare queste sfide, questo lavoro propone sei parametri guida per un processo di prototipazione razionale degli elettrodi TEER MPS-specifici. In linea con queste caratteristiche, il presente studio si concentra su un MPS modulare: il True Tissue on Platform (TToP). Questo lavoro propone un approccio innovativo e versatile per la fabbricazione degli elettrodi e lo implementa nel modulo statico TToP per le misurazioni TEER. Questo approccio coinvolge l’uso dell’oro sotto forma di fogli commestibili, come fonte economica del metallo per la produzione degli elettrodi. Gli elettrodi compatibili con il modulo statico TToP sono progettati per emulare quelli commerciali, superando allo stesso tempo le loro limitazioni. In questo modo e possibile effettuare un confronto affidabile con lo standard durante tutto il progetto. È stata eseguita una valutazione dei parametri del processo di produzione per esaminare l’accoppiamento dei materiali e delle tecniche di fabbricazione utilizzate. Ciò è seguito dalla validazione degli elettrodi prodotti, valutando la loro biocompatibilità, funzionalità e affidabilità nelle misurazioni. Gli elettrodi vengono poi integrati in un sistema di multiplexing che permette il monitoraggio simultaneo di più campioni.