Development of a compartmentalized Organ-on-Chip platform for proprioceptive neuromuscular circuit modeling

Friedreich’s ataxia (FRDA) is a neurodegenerative disease characterized by the progressive degeneration of peripheral sensory neurons and impaired neuromuscular function. The multisystem involvement and the spatiotemporal nature of its pathogenic mechanisms make experimental modeling challenging, highlighting the need to develop physiologically relevant in vitro models capable of recreating controlled microenvironments and simulating complex neuromuscular interactions. This thesis is part of the PHOENIX project, which integrates mechanical stimulation systems, microelectrode arrays (MEAs), and contractile force-sensing technologies. Within this framework, this thesis focuses on the design, fabrication, and experimental validation of a compartmentalized microfluidic platform for human proprioceptive neuromuscular circuit (μNMC) modeling, integrating mechanical stimulation and microelectrode arrays for non-invasive electrophysiological monitoring. The study advanced from early-stage device development to rigorous validation of the final configurations. Both versions were evaluated from engineering and biological perspectives. The final configurations demonstrated improved fillability, effective compartmentalization, and the ability to support the formation of three-dimensional muscle constructs, as well as the maturation of peripheral sensory neurons derived from hiPSCs. The directed axonal extension toward the muscle compartment suggests the potential for future functional connectivity between compartments. This work lays the foundation for the in vitro reconstruction of complex neuromuscular architectures and the development of a physiologically relevant muscle spindle-on-chip model. The use of cells from FRDA patients will allow for a deeper understanding of proprioceptive deficits and the testing of therapeutic strategies in a controlled human system.

L’atassia di Friedreich (FRDA) è una malattia neurodegenerativa caratterizzata dalla progressiva degenerazione dei neuroni sensoriali periferici e compromissione della funzione neuromuscolare. Il coinvolgimento multisistemico e la natura spaziotemporale dei meccanismi patogenetici ne rendono difficile la modellizzazione sperimentale, evidenziando la necessità di sviluppare modelli in vitro fisiologicamente rilevanti capaci di ricreare microambienti controllati e simulare interazioni neuromuscolari complesse. Questa tesi fa parte del progetto PHOENIX, che integra sistemi di stimolazione meccanica, array di microelettrodi (MEA) e tecnologie di rilevamento della forza contrattile. In questo contesto, questa tesi si concentra sulla progettazione, fabbricazione e validazione sperimentale di una piattaforma microfluidica compartimentalizzata per la modellazione in vitro del circuito neuromuscolare propriocettivo umano (μNMC), integrando stimolazione meccanica e MEA per il monitoraggio elettrofisiologico non invasivo. Lo studio ha previsto lo sviluppo iniziale del dispositivo seguito dalla rigorosa validazione delle configurazioni finali. Entrambe le versioni sono state valutate sotto il profilo ingegneristico e biologico. Le configurazioni finali hanno mostrato migliore fillabilità, efficace compartimentalizzazione e capacità di supportare la formazione di costrutti muscolari tridimensionali, nonché la maturazione dei neuroni sensoriali periferici derivati da hiPSCs. L’estensione assonale diretta verso il compartimento muscolare suggerisce il potenziale per una futura connettività funzionale tra compartimenti. Questo lavoro getta le basi per la ricostruzione in vitro di architetture neuromuscolari complesse e per lo sviluppo di un modello di fuso neuromuscolare su chip fisiologicamente rilevante. L’utilizzo di cellule di pazienti FRDA consentirà una comprensione più approfondita dei deficit propriocettivi e la sperimentazione di strategie terapeutiche in un sistema umano controllato.