Towards the intervertebral disc on a chip: from a nucleus pulposus on-chip study to the design of a mechanically active disc-on-chip model

Low Back Pain (LBP) is the leading cause of global disability, primarily driven by degenerative disc disease (DDD), a condition leading to progressive extracellular matrix (ECM) degradation in the intervertebral disc (IVD). DDD correlates with mechanical risk factors such as injury and occupational hazards. However, mechanobiology's role in DDD is often overlooked due to inadequate in vitro replication of the IVD’s complex pathophysiology. Organs-on-chip (OoCs) offer microscale emulation of organ-level functions within controlled environments, yet no mechanically active IVD on-chip model has been developed. This thesis aims at using the OoC technology to explore the relationship between aberrant mechanical loading and DDD and to develop a multi-tissue microfluidic IVD model. In the first part, a Nucleus Pulposus (NP) on-chip model was developed subjecting 3D NP microconstructs to controlled mechanical stimuli within a previously developed mechanically active OoC platform. Primary NP cells underwent chondrogenic differentiation in hypoxia (2% O2) for two weeks, resulting in upregulation/deposition of key NP ECM components, such as collagen type II (COL2A1) and aggrecan (ACAN). Subsequently, NP constructs displayed compression-level-dependent behaviour, with varied modulation of mechanotransduction-associated gene expression following 10% (i.e. physiological) and 30% (i.e. hyperphysiological) compression. Furthermore, mechanical overload induced a DDD phenotype, characterized by upregulation of inflammatory and degradative markers.The second part of the work focused on designing a new microscale mechanically active OoC model representative of the full IVD anatomy, incorporating compressive and flexional mechanical stimulation. Device design and dimensioning were guided by analytical and computational tools. This device, to be further refined and biologically validated, promises to be a valuable tool for studying DDD and uncovering new therapeutic interventions.

Il dolore lombare (LBP) è la principale causa di disabilità globale, prevalentemente causato dalla malattia degenerativa del disco (DDD), una condizione che porta alla progressiva degradazione della matrice extracellulare (ECM) del disco intervertebrale (IVD). La DDD è correlata a fattori di rischio meccanici come lesioni e rischi occupazionali. Tuttavia, il ruolo della meccanobiologia nella DDD viene spesso trascurato a causa della mancanza di un’adeguata riproduzione della complessa fisiopatologia del disco intervertebrale in vitro. Gli organi su chip (OoCs) consentono di riprodurre alla microscala delle funzioni a livello di organo all'interno di ambienti controllati, ma finora non è ancora stato sviluppato un modello su chip meccanicamente attivo di IVD. Questa tesi mira a utilizzare la tecnologia OoC per studiare la relazione tra carico meccanico aberrante e DDD e sviluppare un modello microfluidico di IVD. Nella prima parte, è stato sviluppato un modello su chip di Nucleo Polposo (NP) sottoponendo microcostrutti tridimensionali di NP a stimoli meccanici controllati all'interno di una piattaforma OoC meccanicamente attiva precedentemente sviluppata. Cellule primarie di NP sono state sottoposte a differenziazione condrogenica in ipossia (2% O2) per due settimane risultando nella deposizione di componenti chiave dell'ECM del NP, quali collagene di tipo II (COL2A1) e aggrecano (ACAN). Successivamente, i costrutti di NP hanno mostrato un comportamento dipendente dal livello di compressione, con variazioni nella modulazione dell'espressione genica associata alla meccanotrasduzione a seguito di una compressione al 10% (i.e. fisiologica) e al 30% (iperfisiologica). Inoltre, la stimolazione meccanica ha indotto un fenotipo di DDD, caratterizzato dall'aumento dell'espressione genica di marcatori infiammatori e degradativi. La seconda parte della tesi si è concentrata sulla progettazione di un modello su chip meccanicamente attivo alla microscala rappresentativo dell'anatomia completa dell'IVD, incorporando stimolazione meccanica compressiva e flessionale. La progettazione e il dimensionamento del dispositivo sono stati guidati da strumenti analitici e computazionali. Questo dispositivo, da perfezionare e validare biologicamente, rappresenta uno strumento prezioso per lo studio della DDD e per la scoperta di nuove strategie terapeutiche.