Generation of brain cortical human models within 3D Organ-on-Chip devices

An accurate preclinical validation is needed when creating new treatments. Nowadays used models present lacks due to a simplistic approach (flat cultures) or biological differences (animal models) with respect to the in vivo tissues. Microfluidics led to Organs-on-Chip (OoC) development, opening a new frontier for tissue and organ modelling, admitting miniaturization, optical access, and possible integration with sensors and actuators, thus having a high real-time control on the culture parameters. While organoids are 3D biological models where the strong self-aggregation potential of induced pluripotent stem cells (iPSCs) is exploited to resemble the in vivo embryo’s development without arising ethical concerns. Brain organoids can recreate neurulation and the formation of ventricles but are limited in terms of reproducibility and maturation potential, thus displaying differences with respect to the adult brain. Neuronal cells are known to be subjected to tension and compression during the embryo development, so researchers’ interest on neurons mechanical stimulation is arising. The aim of this project was indeed to create a new cortical model able to overcome cerebral organoids limitations by confining the population obtained from their dissociation within a 3D microfluidic device, where tissue matrix and cyclic mechanical stimulation can be finely engineered. Being a new project, experiments were focused on creating and characterizing a composite matrix able to support both mechanical stimulation and neural viability. Thus, Fibrin was enriched with both Geltrex and Collagen I, several tests were made mixing materials at different ratios to test matrix stability both in static and dynamic conditions. Preliminary cell injection tests were performed with HeLa cells to obtain faster results, while experiments with dissociated organoids were conducted to assess culture parameters: age of organoids, cell density, medium change modalities and culture time. Finally, since the design of used devices, namely μStretch and μCompress, were originally developed for other tissue applications, an improvement was proposed to better adapt to neural applications; while possible cyclic tension and compression patterns, that could safely resemble the in vivo brain development, were advanced by combining the experience with actuable OoC of the laboratory of Microfluidics and biomimetic Microsystems (MiMic) of Politecnico di Milano and the neurogenomics knowledge acquired by the Fondazione Human Technopole (FHT) of the Milano Innovation District (MIND).

Per creare nuove terapie serve una validazione preclinica accurata, ma i modelli ora utilizzati presentano carenze dovute ad un approccio semplicistico (colture piane) o a differenze biologiche (modelli animali) rispetto ai tessuti in vivo. La microfluidica ha portato allo sviluppo degli Organi-su-Chip (OoC), che hanno permesso miniaturizzazione, accesso ottico ed integrazione con sensori ed attuatori, tradotti in un controllo dei parametri di coltura in tempo reale. Gli organoidi, invece, sono modelli biologici tridimensionali che, sfruttando il potenziale di auto-aggregazione delle cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs), riescono ad imitare lo sviluppo embrionale in modo etico. Gli organoidi di cervello, infatti, permettono di ricreare la formazione dei ventricoli e la neurulazione in vitro, ma sono limitati in termini di riproducibilità e potenziale di maturazione, mostrando diverse differenze rispetto al cervello adulto. Dimostrato che durante lo sviluppo i neuroni sono soggetti a compressione e tensione, l'interesse sulla loro stimolazione meccanica in vitro è aumentato. Lo scopo di questo progetto è quello di creare un modello corticale che superi le limitazioni degli organoidi di cervello, confinando le cellule ottenute dalla loro dissociazione in dispositivi microfluidici tridimensionali, dove la matrice tissutale ed una stimolazione meccanica ciclica sono finemente controllate. Essendo un progetto ex-novo, gli esperimenti sono stati volti al creare e caratterizzare una matrice composita che supportasse sia la stimolazione meccanica che la vitalità neuronale. Pertanto, la Fibrina è stata arricchita sia con Geltrex che Collagene I, sono stati effettuati test utilizzando i materiali in diverse proporzioni per testarne la stabilità sia in condizioni statiche che dinamiche. Dal punto di vista biologico sono stati eseguiti test preliminari di iniezione con cellule HeLa ottenendo così risultati più rapidi, mentre gli esperimenti con organoidi dissociati sono stati condotti per valutare i parametri di coltura: età degli organoidi, densità cellulare, modalità di cambio del mezzo e tempo di coltura. Infine, poiché i design utilizzati, μStretch e μCompress, erano stati creati per altre applicazioni, è stato proposto un loro adattamento al tessuto nervoso; inoltre, possibili pattern di stimolazione sono stati avanzati combinando l'esperienza sugli OoC del laboratorio di Microfluidica e Microsistemi biomimetici (MiMic) del Politecnico di Milano e la conoscenza in neurogenomica acquisita dalla Fondazione Human Technopole (FHT) del Milano Innovation District (MIND).