Optimization of a hollow fiber glomerulus-on-a-chip setup

Abstract

Les malalties renals han esdevingut un problema de salut pública a escala mundial (són la cinquena causa de mort) i sovint s'associen amb una alta morbiditat i mortalitat. La prevalença de les malalties renals continua augmentant i, actualment, aproximadament 850 milions de persones pateixen algun tipus de trastorn renal a tot el món. La manca de models experimentals adequats i la complexitat biològica intrínseca fan que els models 2D estàndard in vitro (per exemple, monocultius de cèl·lules glomerulars) no siguin representatius perquè no aconsegueixen replicar la fisiologia i la funcionalitat específiques del ronyó per a l'ésser humà. Els models in vivo s'han utilitzat principalment perquè permeten estudiar la progressió de la malaltia a llarg termini i també per avaluar sistèmicament l'eficàcia de les teràpies. Tanmateix, massa sovint, els resultats dels estudis en animals no s'han traduït amb èxit en tractaments clínics en humans i, depenent del model animal escollit, es poden enfrontar limitacions ètiques. Per resoldre aquest repte urgent de no tenir models complexos representatius de l'ésser humà, l'òrgan-en-xip es presenta com una plataforma prometedora que combina l'enginyeria microfluídica amb la (micro) tissular. La tecnologia d'òrgans-en-xip s'ha utilitzat àmpliament en els darrers anys a causa de la seva gran capacitat per imitar la complexitat dels teixits nadius in vitro com a alternativa prometedora per eludir les limitacions dels sistemes de cultiu cel·lular bidimensionals (2D) i els models animals. El meu projecte es va centrar en el desenvolupament i optimització d'un dispositiu modular 3D basat en fibra buida per a un ronyó-en-un-xip. Aquest dispositiu utilitza membranes tubulars de fibra buida per recrear un entorn de cultiu cel·lular en 3D inspirat en la fisiologia que imita amb precisió l'anatomia i les funcions de les unitats de filtració renal, específicament el glomèrul.

Kidney disease has become a public health problem on a global scale (is the fifth leading cause of death) and is often associated with high morbidity and mortality. The prevalence of kidney disease is continuing to increase, and currently, approximately 850 million people have some kind of kidney disorder worldwide. The lack of suitable experimental models and the intrinsic biological complexity makes standard 2D in vitro models (e.g., monocultures of glomerular cells) non-representative because they fail to replicate the human-specific physiology and functionality of the kidney. In vivo models have been mostly used because they allow the study of disease progression in the long-term, and to systemically evaluate the efficacy of therapies. However, too often, results from animal studies have not been successfully translated into clinical treatments in humans and depending on the animal model chosen, ethical limitations can be faced. To solve this urgent challenge of lacking human-representative complex models, organ-on-chip is presented as a promising platform that combines microfluidic with (micro-)tissue engineering. Organon-chip technology has been widely used in the past years due to its strong capacity to mimic the complexity of native tissues in vitro as a promising alternative for circumventing the limitations of 2dimensional (2D) cell culture systems and animal models. My project focused on the development and optimization of a modular 3D hollow fiber-based kidneyon-a-chip device. This device utilizes tubular hollow fiber membranes to recreate a physiologicallyinspired 3D cell culture environment that accurately mimics the anatomy and functions of renal filtration units, specifically the glomerulus.