Knee-heart axis on chip: a microfluidic platform to investigate the correlation between osteoarthritis and cardiovascular disorders

Osteoarthritis (OA) and cardiovascular disorders (CVDs) are among the leading causes of morbidity, disability and reduced quality of life in the population, especially in elder people. With the aging of the global population, the incidence of these pathologies is projected to rise in the coming years, together with their social and economic burden. Recent studies have suggested that OA may be a risk factor for the development of CVDs. Indeed, proinflammatory cytokine production associated with osteoarthritis contribute to vascular inflammation and atherosclerosis development, which underlie many CVDs. Understanding the relationship between OA and CVDs is crucial for both clinical practice and public health. However, the exact mechanisms underlying this potential link remain unclear, and no existing animal model has successfully demonstrated this connection, nor is there an in vitro model available in the literature. In recent years, microfluidic devices have emerged as powerful tools for studying cellular behaviour and interactions in vitro. In this study, two innovative Multi Organ-on-Chip platforms (i.e., Knee-Heart platform) were designed to investigate the role of OA in the development of cardiovascular disorders. The two platforms comprise two chambers, one for the 3D culture of neonatal rat cardiomyocytes (NRCMs) another for the 3D culture of human articular chondrocytes (hACs). The communication between these chambers can be controlled by two different communication systems: a needle (i.e., Knee-Heart platform needle-based) and a Doormat-like valve system (i.e., Knee-Heart platform valve-based). The first platform was technically validated to assess its functionality. In parallel, 2D and 3D biological experiments were performed to optimize the co-culture conditions, before using the designed platform. Preliminary technical validation of the proposed microfluidic device has demonstrated its potential as a useful tool for co-culture studies. Future developments will focus on the biologicalvalidation of the platform, based on the results obtained from the single cultures presented in this work.

Osteoartrite (OA) e malattie cardiovascolari (CVD) sono tra le principali cause di morbilità, disabilità e riduzione della qualità della vita nella popolazione, specialmente tra le persone anziane. Con l'invecchiamento della popolazione globale, si prevede che l'incidenza di queste patologie aumenterà nei prossimi anni, insieme al loro impatto sociale ed economico. Studi recenti hanno suggerito che l'OA potrebbe essere un fattore di rischio per lo sviluppo di CVD. Infatti, la produzione di citochine proinfiammatorie associate all'osteoartrite contribuisce all'infiammazione vascolare e allo sviluppo dell'aterosclerosi, che sono alla base di molte CVD. Comprendere la relazione tra OA e CVD è fondamentale sia per la pratica clinica che per la salute pubblica. Tuttavia, i meccanismi esatti alla base di questa potenziale connessione non sono ancora chiari e non esiste un modello animale che abbia dimostrato con successo questa connessione, né un modello in vitro disponibile nella letteratura. Negli ultimi anni, i dispositivi microfluidici sono emersi come strumenti potenti per studiare il comportamento cellulare e le interazioni in vitro. In questo studio, sono stati progettati due innovativi piattaforme Multi Organ-on-Chip (cioè la piattaforma Knee-Heart) per investigare il ruolo dell'OA nello sviluppo di malattie cardiovascolari. Le due piattaforme comprendono due camere, una per la coltura 3D di cardiomiociti neonatali di ratto (NRCM), l'altra per la coltura 3D di condrociti articolari umani (hAC). La comunicazione tra queste camere può essere controllata da due diversi sistemi di comunicazione: un ago (cioè la piattaforma Knee-Heart basata su ago) e un sistema a valvola simile a un tappetino (cioè la piattaforma Knee-Heart basata su valvola). La prima piattaforma è stata validata tecnicamente per valutarne la funzionalità. Parallelamente, sono stati eseguiti esperimenti biologici 2D e 3D per ottimizzare le condizioni di co-coltura, prima di utilizzare la piattaforma progettata. La validazione tecnica preliminare del dispositivo microfluidico proposto ha dimostrato il suo potenziale come strumento utile per gli studi di co-coltura. I futuri sviluppi si concentreranno sulla validazione della piattaforma, basata sui risultati ottenuti dalle colture singole presentate in questo lavoro.