Pain-on-a-chip: development of an all-human 3D organ-on-a-chip model to investigate trigeminal pain in physiology and disease

The trigeminal ganglion (TG) is responsible for the sensory innervation of the face and is the centre of many extremely painful conditions, including migraine and trigeminal neuralgia. A key target of the TG are teeth: TG conveys all pain coming from dental injuries, a set of pathologies that affect virtually the whole population. Conversely, the TG regulates dental mineralization, homeostasis, and regeneration.This study presents the design and validation of an all-human 3D Pain-on-a-Chip model to investigate trigeminal pain under physiological and pathological conditions, in the context of its interaction with two key dental target tissues: the dental pulp and the periodontium. The microfluidic device, composed of two compartments connected by microgrooves, enables controlled interactions between human trigeminal neurons and two dental stem-cell niches (dental pulp and periodontal ligament) within a 3D extracellular matrix (ECM). An additional compartment lined with HUVECs mimics the vascularization of the target tissue. The technical characterization demonstrated high fabrication accuracy, with minimal deviations from target dimensions, ensuring reliable functionality. However, mechanical tests to simulate mastication (along the z-axis) revealed undesired localized strain in the transversal direction, highlighting the need for improved strain distribution. Preliminary biological studies using human dental pulp stem cells (hDPSCs) and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) facilitated the optimization of the vascularised periodontal stem-cell niche in which HA-PEG-based hydrogels were optimized, compared with established fibrin gels. Co-culture of human periodontal ligament stem cells (hPDLSCs) and HUVECs in HA-PEG-based gels functionalized with cyclic-RGD promoted vessel-like structures, but hPDLSCs showed a tendency to escape their channel, suggesting the need for gel refinement. Lastly, the integration of human embryonic stem cell-derived trigeminal ganglia (hESC-TG) into the periodontal compartment demonstrated successful innervation with directed axonal growth through the microgrooves. Future developments, including electrophysiological recordings and calcium imaging, will enable real-time evaluation of neuronal responses to target tissue stimulation (e.g., mechanical, thermal), enhancing the understanding of trigeminal ganglia function.Overall, the Pain-on-a-Chip model offers a scalable platform for studying trigeminal pain, accelerating drug testing, and developing personalized therapies while reducing reliance on animal models.

Il ganglio trigeminale (TG) è responsabile dell'innervazione sensoriale del viso ed è coinvolto in numerose condizioni estremamente dolorose, tra cui emicrania e nevralgia del trigemino. Un bersaglio chiave del TG sono i denti: il TG trasmette tutti i segnali di dolore provenienti da lesioni dentali, un insieme di patologie che colpiscono praticamente l'intera popolazione. D'altro canto, il TG regola anche la mineralizzazione dentale, l'omeostasi e la rigenerazione. Questo studio presenta la progettazione e la validazione di un modello Pain-on-a-Chip tridimensionale interamente umano per studiare il dolore trigeminale in condizioni fisiologiche e patologiche, nel contesto della sua interazione con due tessuti dentali chiave: la polpa dentale e il parodonto. Il dispositivo microfluidico, composto da due compartimenti collegati da microcanali, consente interazioni controllate tra neuroni trigeminali umani e due nicchie di cellule staminali dentali (polpa dentale e legamento parodontale) all'interno di una matrice extracellulare tridimensionale (ECM). Un compartimento aggiuntivo, rivestito con cellule endoteliali della vena ombelicale umana (HUVECs), replica la vascolarizzazione del tessuto bersaglio. La caratterizzazione tecnica ha dimostrato un'elevata precisione di fabbricazione, con minime deviazioni rispetto alle dimensioni target, garantendo un funzionamento affidabile. Tuttavia, i test meccanici per simulare la masticazione (lungo l'asse z) hanno rivelato una deformazione localizzata indesiderata nella direzione trasversale, evidenziando la necessità di migliorare la distribuzione dello sforzo. Studi biologici preliminari condotti utilizzando cellule staminali della polpa dentale umana (hDPSCs) e cellule endoteliali della vena ombelicale umana (HUVECs) hanno facilitato l'ottimizzazione della nicchia di cellule staminali parodontali vascolarizzate, in cui i gel a base di HA-PEG sono stati ottimizzati e confrontati con gel di fibrina consolidati. La co-coltura di cellule staminali del legamento parodontale umano (hPDLSCs) e HUVECs in gel a base di HA-PEG funzionalizzati con ciclico-RGD ha promosso la formazione di strutture simili ai vasi sanguigni. Tuttavia, le hPDLSCs hanno mostrato una tendenza a fuoriuscire dal loro canale, suggerendo la necessità di perfezionare la formulazione del gel. Infine, l'integrazione di gangli trigeminali derivati da cellule staminali embrionali umane (hESC-TG) nel compartimento parodontale ha dimostrato un'innervazione efficace con crescita assonale direzionata attraverso i microcanali. Gli sviluppi futuri, tra cui registrazioni elettrofisiologiche e imaging del calcio, consentiranno di valutare in tempo reale le risposte neuronali alla stimolazione del tessuto bersaglio (es. stimoli meccanici e termici), migliorando la comprensione della funzione del ganglio trigeminale. In sintesi, il modello Pain-on-a-Chip offre una piattaforma scalabile per studiare il dolore trigeminale, accelerare i test farmacologici e sviluppare terapie personalizzate, riducendo al contempo la dipendenza dai modelli animali.