Real-time contraction monitoring of 3D cardiac microtissues derived from an embryonic stem cell line within a beating heart-on-chip platform

Cardiovascular diseases (CVDs) are the leading cause of morbidity and mortality worldwide. Despite advancements in medical treatments, current drugs often produce significant side effects and primarily manage disease progression rather than offering a cure. Furthermore, the development of new therapeutics is hindered by prolonged and costly preclinical and clinical trial processes, with high failure rates. Current preclinical models, as 2D in-vitro and animal models, fail to recapitulate some crucial aspect of the human heart due to the lack of three dimensionality or inter-species differences. The combination of Organs-on-Chip (OoC) technology and pluripotent stem cells has emerged as a reliable predictive tool for preclinical studies and drug screening. This project leveraged this combination, specifically using Rockefeller University Embryonic Stem (Rues) cell line and a heart-on-chip device (uStretch®). The uStretch® Platform consists of three layers: a bottom glass coverslip, a middle PDMS actuation layer and a top PDMS cell culture layer. This device was designed with an integrated pneumatic actuation system, which mimics the systolic and diastolic phases of the heart. The aim of this project was to optimize the culture and mechanical stimulation of Rues derived cardiomyocytes within the beating heart-on-chip device. Various protocols were tested to identify the most effective approach for this specific cell type, based on observed outcomes. Furthermore, the project integrated the heart-on-chip device into an advanced acquisition platform for real-time monitoring of contractions of beating cells. Mechanical parameters were then extracted using a robust post-processing pipeline to assess the effects of mechanical stimulation on the behaviour of the 3D cardiac microtissues formed.

Le malattie cardiovascolari (CVD) sono la principale causa di morbilità e mortalità a livello mondiale. Nonostante i progressi nei trattamenti medici, i farmaci attuali spesso producono effetti collaterali significativi e gestiscono principalmente la progressione della malattia piuttosto che offrire una cura. Inoltre, lo sviluppo di nuovi farmaci è ostacolato da processi di sperimentazione preclinica e clinica lunghi e costosi, con alti tassi di fallimento. Gli attuali modelli preclinici, quali i modelli 2D in-vitro e animali, non riescono a cogliere alcuni aspetti cruciali del cuore umano a causa della mancanza di tridimensionalità o delle differenze interspecie. La combinazione della tecnologia Organi-su-Chip e delle cellule staminali pluripotenti si è dimostrata come uno strumento predittivo affidabile per gli studi preclinici e lo screening dei farmaci. Questo progetto ha sfruttato questa combinazione, in particolare utilizzando la linea di cellule staminali embrionali della Rockefeller University (Rues) e un dispositivo cuore-su-chip (uStretch®). La piattaforma uStretch® è composta da tre strati: un vetrino coprioggetto inferiore, uno strato centrale di attuazione in PDMS e uno strato superiore di coltura cellulare in PDMS. Questo dispositivo è stato progettato con un sistema di attuazione pneumatico integrato, che replica le fasi sistoliche e diastoliche del cuore. L'obiettivo di questo progetto è stato quello di ottimizzare la coltura e la stimolazione meccanica dei cardiomiociti derivati da Rues all'interno del dispositivo cuore-su-chip. Sono stati testati diversi protocolli per identificare l'approccio più efficace per questo specifico tipo cellulare, sulla base dei risultati osservati. Inoltre, il progetto ha integrato il dispositivo cuore-su-chip in una piattaforma di acquisizione avanzata per il monitoraggio in tempo reale delle contrazioni delle cellule battenti. I parametri meccanici sono stati quindi estratti utilizzando una valida pipeline di post-elaborazione per valutare gli effetti della stimolazione meccanica sul comportamento dei microtessuti cardiaci 3D formati.