A novel alveolar-capillary barrier-on-chip model for investigating atmospheric pollutant absorption and lung health in an air-liquid-interface system

Air pollution is a problem that afflicts the entire modern world population. Diseases related to air pollution, in particular respiratory diseases, are gradually increasing according to recent analyses. The study of pulmonary diseases and the evaluation of new therapies require in vitro models that faithfully reproduce the complex microarchitecture and physiology of human alveolar tissue. However, traditional models, based on two-dimensional cultures or animal systems, have significant limitations in terms of physiological relevance and translationality. Even current 3D platforms struggle to integrate key stimuli such as airflow and respiratory mechanics. In this study, a novel microfluidic platform was designed, fabricated, and validated to replicate a physiologically relevant alveolar epithelial structure using A549 cells, leading to the formation of a mature tissue. The device has been tested both technically and biologically. The geometric characteristics of the chip have been verified and the device has been mechanically tested. Its ability to faithfully reproduce the conditions of the pulmonary microenvironment has also been demonstrated. In addition, an innovative system has been developed and sized to introduce a controlled air flow, without compromising cellular integrity, and to apply mechanical stimulation that simulates respiratory movement. This system represents a step forward in the in vitro modeling of the lung, with potential applications in toxicological studies. The expansion of the model, including endothelial cells and macrophages, will allow to further deepen the cellular interactions and improve the productivity of these tests.

L’inquinamento atmosferico è un problema che affligge l’intera popolazione mondiale moderna. Le malattie correlate all’inquinamento atmosferico, in particolare quelle respiratorie, sono in graduale aumento secondo recenti analisi. Lo studio delle malattie polmonari e la valutazione di nuove terapie richiedono modelli in vitro che riproducano fedelmente la complessa microarchitettura e fisiologia del tessuto alveolare umano. Tuttavia, i modelli tradizionali, basati su colture bidimensionali o sistemi animali, presentano notevoli limitazioni in termini di rilevanza fisiologica e traslazionalità. Anche le attuali piattaforme 3D hanno difficoltà a integrare stimoli chiave come il flusso d’aria e la meccanica respiratoria. In questo studio, è stata progettata, realizzata e convalidata una nuova piattaforma microfluidica per replicare una struttura epiteliale alveolare physiological-like utilizzando cellule A549, portando alla formazione di un tessuto maturo. Il dispositivo è stato testato sia tecnicamente che biologicamente. Le caratteristiche geometriche del chip sono state verificate e il dispositivo è stato testato meccanicamente. È stata inoltre dimostrata la sua capacità di riprodurre fedelmente le condizioni del microambiente polmonare. Inoltre, è stato sviluppato e dimensionato un sistema innovativo per introdurre un flusso d’aria controllato, senza compromettere l’integrità cellulare, e per applicare una stimolazione meccanica che simula il movimento respiratorio. Questo sistema rappresenta un passo avanti nella modellazione in vitro del polmone, con potenziali applicazioni negli studi tossicologici. L’espansione del modello, includendo cellule endoteliali e macrofagi, consentirà di approfondire ulteriormente le interazioni cellulari e migliorare la produttività di questi test.