A compartmentalized microfluidic approach for pancreatic islets functionality assessment and in vitro modeling of subcutaneous drug delivery for Type 1 Diabetes treatment

Type 1 diabetes (T1D) results from autoimmune β-cell destruction, causing insulin deficiency and chronic hyperglycemia. Pancreatic islet transplantation is a promising treatment, requiring prior islet functionality assessment via the Glucose-Stimulated Insulin Release (GSIR) assay. The latter is very time-consuming, requires large sample sizes, and lacks biomimicry as cells are located in a transwell system in direct contact with a glucose-containing solution. Islets can be transplanted into various sites, with subcutaneous tissue being particularly relevant as it also enables localized delivery of immunomodulatory drugs, improving graft survival. However, current subcutaneous drug delivery models are limited in biomimicry as they apply sink conditions. This thesis presents two microfluidic platforms, addressing two challenges: a GSIR-on-a-chip device for islet functionality assessment and a drug-delivery-on-a-chip model for studying subcutaneous drug delivery. The GSIR-on-a-chip assay improved efficiency with respect to the gold standard assay, reducing reagent consumption 100-fold and assay duration from 5 hours to 55 minutes. Locating islets in a gelatin hydrogel instead of a transwell system enhanced biomimicry while maintaining comparability with standard GSIR results. The drug-delivery-on-a-chip model was optimized for collagen gel loading and crosslinking, enabling subcutaneous tissue modeling and controlled molecular diffusion. Initial results suggest non-sink conditions, though further validation is needed. The microfluidic models presented in this thesis improve cost-effectiveness and biomimicry in already existing assays and models in islet transplantation for type I diabetes treatment through miniaturization and the use of biomimetic testing conditions.

Il diabete di tipo 1 (T1D) è causato dalla distruzione autoimmune delle cellule β, con conseguente carenza di insulina e iperglicemia cronica. Il trapianto di isole pancreatiche rappresenta un trattamento promettente, ma richiede una valutazione preliminare della funzionalità delle isole tramite il test di Glucose-Stimulated Insulin Release (GSIR). Tuttavia, questo test è molto dispendioso in termini di tempo, necessita di campioni di grandi dimensioni e presenta una scarsa aderenza alle condizioni fisiologiche, poiché le cellule sono collocate in un sistema transwell a diretto contatto con una soluzione contenente glucosio. Le isole pancreatiche possono essere trapiantate in diversi siti, tra cui il tessuto sottocutaneo, particolarmente interessante in quanto consente anche la somministrazione localizzata di farmaci immunomodulatori, migliorando la sopravvivenza dell'innesto. Tuttavia, i modelli attuali di rilascio sottocutaneo di farmaci presentano limitazioni nella riproduzione delle condizioni fisiologiche, poiché si basano su condizioni di sink. Questa tesi presenta due piattaforme microfluidiche che affrontano due sfide: un dispositivo GSIR-on-a-chip per la valutazione della funzionalità delle isole pancreatiche e un modello drug-delivery-on-a-chip per lo studio del rilascio sottocutaneo di farmaci. Il test GSIR-on-a-chip ha migliorato l'efficienza rispetto al test di riferimento, riducendo il consumo di reagenti di 100 volte e la durata dell'analisi da 5 ore a 55 minuti. La collocazione delle isole in un idrogel di gelatina anziché in un sistema transwell ha permesso una migliore simulazione dell'ambiente fisiologico, mantenendo comunque la comparabilità con i risultati del test GSIR standard. Il modello drug-delivery-on-a-chip è stato ottimizzato per il caricamento e la reticolazione del gel di collagene, consentendo la modellazione del tessuto sottocutaneo e la diffusione controllata delle molecole. I risultati iniziali suggeriscono condizioni di non sink, sebbene siano necessarie ulteriori validazioni. I modelli microfluidici presentati in questa tesi migliorano il rapporto costo-efficacia e la capacità di riprodurre le condizioni fisiologiche rispetto ai test e modelli già esistenti per il trapianto di isole pancreatiche nel trattamento del diabete di tipo 1, grazie alla miniaturizzazione e all'uso di condizioni di test biomimetiche.