Microphysiological systems for modelling and monitoring biological barriers

Resumen

Los sistemas microfisiológicos (MPS) son modelos in vitro microfabricados que emulan las condiciones in vivo fisiológicamente relevantes, como la organización celular y las señales microambientales. Las microtecnologías han permitido el desarrollo de sofisticados MPS capaces de recapitular fielmente la fisiología a nivel de tejido y órgano. Los MPS son particularmente útiles para modelar barreras biológicas, es decir, epitelios y endotelios que separan la circulación sanguínea de los compartimentos tisulares. Su función de barrera es crucial para mantener la homeostasis en los órganos y su desregulación juega un papel importante en la fisiopatología de muchas enfermedades humanas prevalentes. La función principal de un tejido barrera es controlar el transporte transepitelial de solutos. Por lo tanto, la capacidad de cuantificar el transporte en un modelo de barrera es crítico. La espectroscopía de impedancia eléctrica (EIS) permite su cuantificación con las ventajas de ser no destructiva, sin utilizar marcadores y de fácil aplicación en tiempo real. EIS puede determinar 1) la resistencia eléctrica transepitelial (TEER), que evalúa la integridad de la barrera (estrechamente relacionada con la rigidez del espacio intercelular); 2) la capacitancia de la capa celular (Ccl), que puede proporcionar información sobre el área superficial de la membrana; y 3) la contribución de la solución del medio a la impedancia. Mientras que el EIS es fácil de realizar mediante electrodos extracelulares, es difícil lograr la distribución de corriente uniforme requerida para mediciones precisas dentro de los canales de cultivo celular miniaturizados. Entonces, se puede suponer erróneamente que todo el área de cultivo de células contribuye igual a la medición, lo que puede conducir a errores de cálculo del TEER. Esto puede explicar parcialmente la gran disparidad de los valores de TEER reportados para tipos de células idénticas. Aquí, se presenta un estudio numérico para dilucidar este problema en algunos cultivos celulares previamente reportados y para proponer un factor de corrección geométrica (GCF) que corrige este error y que permite aplicarse retrospectivamente. Este estudio también se usó para optimizar una configuración tetrapolar especialmente adecuada para realizar mediciones EIS precisas en canales microfluídicos, y lo que es más importante, los electrodos cubren mínimamente la superficie lo que permite que las células se puedan visualizar junto con el análisis de TEER. Posteriormente, se desarrolló una cámara de perfusión modular con electrodos integrados en base a esta configuración óptima. El dispositivo comprende una membrana porosa desechable en la que se forma el tejido barrera y dos placas reutilizables donde se encuentran los electrodos. Por lo tanto, el tejido en la membrana se puede ensamblar en el sistema para medirlo y exponerlo al flujo, no solo para aplicar un estímulo mecánico fluidico sino también para suministrar continuamente nutrientes y eliminar los desechos. Además, la concentración de NaCl en ambos lados del tejido se puede estimar a partir de la conductancia eléctrica medida con los mismos electrodos integrados en una configuración bipolar. Un modelo in vitro del túbulo renal se utilizó para validar el sistema de medición. Como resultado, la concentración de NaCl se estimó a partir de la conductancia que permite la medición en línea del gradiente químico transepitelial de NaCl, que es una función primaria del túbulo renal. El desarrollo de MPS con múltiples barreras biológicas interconectadas expandirá la tecnología para recapitular funciones más complejas a nivel de órgano. Sin embargo, existen múltiples desafíos técnicos para reproducir varias barreras biológicas en un solo dispositivo mientras se mantiene un microambiente controlado particular para cada tipo de célula. Aquí se presenta un novedoso dispositivo microfluídico donde 1) múltiples tipos de células que están dispuestas en compartimentos uno al lado del otro están interconectadas con microsurcos y donde 2) múltiples tejidos barrera se miden a través de electrodos metálicos que están enterrados debajo de los microsurcos. Como prueba de concepto, el dispositivo se usó para imitar la estructura de la barrera hematorretiniana (BRB), incluidas las barreras interna y externa. Ambas barreras se formaron con éxito en el dispositivo y se monitorearon en tiempo real, lo que demuestra su gran potencial para su aplicación a la tecnología de órgano en un chip.

Fecha de lectura	26 jun 2018
Idioma original	Inglés
Supervisor	Rosa Villa Sanz (Director/a), Xavier Illa Vila (Director/a) & Jordi Aguilo Llobet (Tutor/a)