Towards a chronic obstructive pulmonary disease (COPD) 3D in vitro model: optimization of stromal and epithelial compartments of a lung-on-chip platform

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a respiratory airway condition that generates chronic inflammation and airflow limitation in the lungs. It is caused mainly by chronic exposure to harmful particles or smoke (like that of cigarettes) and genetic susceptibility. Several mechanisms like inflammation, oxidative stress and an imbalance between proteases and antiproteases cause a cascade of events that lead to airway remodeling, among other pathological changes. Currently there is no cure for COPD, however, several therapies aim at ameliorating symptoms and slowing disease progression. Recently new tools to evaluate new therapeutical approaches have been developed including 2D in vitro studies, organs-on-chip (OOC) and animal models. However, 2D and animal models are not the best at mimicking human physiology. Additionally, OOCs are focused on the alveolar area of the lung, and most do not incorporate mechanisms to mimic the tidal respiration of the lungs. To account for this gap, this work aims to optimize a lung-on-chip model that accurately represents human small airways and incorporates relevant cell populations, tidal respiration and an air liquid interface(ALI). To do so, an OOC previously designed by BiomimX Srl. was implemented, and the culture conditions were optimized both in static and dynamic conditions. Platforms were analyzed through bright-field microscopy and immunofluorescence to determine cell viability, proliferation and phenotypic markers able to characterize the microtissues. In the case of the stromal compartment, Bronchial Smooth Muscle Cells (BSMCs) showed the most promise in high density monocultures cultured in SmGm-2 or Mixed media. On the other hand, for the epithelial compartment Normal Human Bronchial Epithelial (NHBEs) cells were successfully cultured with an optimized smart seeding technique in BEGM/PneumaCult ALI media. In conclusion, in this study substantial advances were made towards the development of a COPD LOC model, opening the door for new integral therapeutical strategies to be discovered and tested.

La broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) è una patologia delle vie respiratorie che genera infiammazione cronica e limitazione del flusso d'aria nei polmoni. È causata principalmente dall'esposizione cronica a particelle nocive o al fumo (come quello delle sigarette) e dalla predisposizione genetica. Diversi meccanismi come l'infiammazione, lo stress ossidativo e uno squilibrio tra proteasi e antiproteasi causano una cascata di eventi che portano al rimodellamento delle vie aeree, oltre ad altri cambiamenti patologici. Attualmente non esiste una cura per la BPCO, ma diverse terapie mirano a migliorare i sintomi e a rallentare la progressione della malattia. Recentemente sono stati sviluppati nuovi strumenti per valutare nuovi approcci terapeutici, tra cui studi 2D in vitro, organi su chip (OOC) e modelli animali. Tuttavia, i modelli 2D e animali non sono i migliori per imitare la fisiologia umana. Inoltre, gli OOC si concentrano sull'area alveolare del polmone e la maggior parte di essi non incorpora meccanismi che imitino la respirazione dei polmoni. Per colmare questa lacuna, il progetto presentato mira a ottimizzare un modello di polmone su chip che rappresenti accuratamente le piccole vie aeree umane e che incorpori le popolazioni cellulari rilevanti, la respirazione toracica e l'interfaccia aria-liquido (ALI). Per fare ciò, è stato implementato un OOC precedentemente progettato da BiomimX Srl. le cui condizioni di coltura sono state ottimizzate sia in condizioni statiche che dinamiche. Le piattaforme sono state analizzate mediante microscopia a campo chiaro e immunofluorescenza per determinare la vitalità cellulare, la proliferazione e i marcatori fenotipici in grado di caratterizzare i microtessuti. Nel caso del compartimento stromale, le cellule muscolari lisce bronchiali (BSMC) si sono dimostrate le più promettenti in monocolture ad alta densità coltivate in terreno SmGm-2 o misto. Per quanto riguarda il comparto epiteliale, le cellule epiteliali bronchiali umane normali (NHBEs) sono state coltivate con successo con una tecnica di semina intelligente ottimizzata in terreni BEGM/PneumaCult ALI. In conclusione, in questo studio sono stati compiuti progressi sostanziali verso lo sviluppo di un modello LOC di BPCO, aprendo la strada alla scoperta e alla sperimentazione di nuove strategie terapeutiche integrali.