3 research outputs found
Microfluidic-based dynamic BH3 profiling predicts anticancer treatment efficacy
Cancer therapy; Predictive markers; Translational researchTerapia del cáncer; Marcadores predictivos; Investigación traslacionalTeràpia del càncer; Marcadors predictius; Recerca translacionalPrecision medicine is starting to incorporate functional assays to evaluate anticancer agents on patient-isolated tissues or cells to select for the most effective. Among these new technologies, dynamic BH3 profiling (DBP) has emerged and extensively been used to predict treatment efficacy in different types of cancer. DBP uses synthetic BH3 peptides to measure early apoptotic events (‘priming’) and anticipate therapy-induced cell death leading to tumor elimination. This predictive functional assay presents multiple advantages but a critical limitation: the cell number requirement, that limits drug screening on patient samples, especially in solid tumors. To solve this problem, we developed an innovative microfluidic-based DBP (µDBP) device that overcomes tissue limitations on primary samples. We used microfluidic chips to generate a gradient of BIM BH3 peptide, compared it with the standard flow cytometry based DBP, and tested different anticancer treatments. We first examined this new technology’s predictive capacity using gastrointestinal stromal tumor (GIST) cell lines, by comparing imatinib sensitive and resistant cells, and we could detect differences in apoptotic priming and anticipate cytotoxicity. We then validated µDBP on a refractory GIST patient sample and identified that the combination of dactolisib and venetoclax increased apoptotic priming. In summary, this new technology could represent an important advance for precision medicine by providing a fast, easy-to-use and scalable microfluidic device to perform DBP in situ as a routine assay to identify the best treatment for cancer patients.Ramon y Cajal Programme, Ministerio de Economia y Competitividad grant RYC-2015–18357. (J.M.). Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades grant RTI2018-094533-A-I00 (J.M.). CELLEX foundation (J.M., A.M.). Beca Trienal Fundación Mari Paz Jiménez Casado (J.M.). European Research Council, grant ERC-StG-DAMOC 714317 (J.R.-A.). European Research Council, H2020 EU framework FET-open BLOC 863037 (J.R.-A.). Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, “Severo Ochoa” Program for Centers of Excellence in R&D SEV-2020-2023 (J.R.-A.). Generalitat de Catalunya. CERCA Programme 2017-SGR-1079 (J.R.-A., J.S.). Fundación Bancaria “la Caixa”- Obra Social “la Caixa” (project IBEC-La Caixa Health Ageing) (J.R.-A.). Fero Foundation (C.S.). Networking Biomedical Research Center (CIBER). CIBER is an initiative funded by the VI National R&D&i Plan 2008–2011, Iniciativa Ingenio 2010, Consolider Program, CIBER Actions, and the Instituto de Salud Carlos III (RD16/0006/0012), with the support of the European Regional Development Fund (J.S.)
Microphysiological systems for modelling and monitoring biological barriers
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.Microphysiological systems (MPS) are biologically inspired microengineered in
vitro models that emulate physiologically relevant in vivo conditions, such as cell
organization and microenvironmental cues. Microtechnologies have enabled the
development of significant MPS that are able to faithfully recapitulate tissue- and
organ-level physiology. MPS are particularly useful for modelling biological barriers,
that is, epithelia and endothelia that separate the blood circulation from tissue
compartments. Their barrier function is crucial to maintain organ homeostasis and their
deregulation play an important role in the pathophysiology of many prevalent human
diseases. The primary function of a barrier tissue is to control the transepithelial
transport of solutes. Therefore, the ability to quantify transport in a barrier model is
critical. Electrical impedance spectroscopy (EIS) permits its quantification with the
advantages of being non-destructive, label-free, and easily applicable in real time. EIS
can determine 1) the transepithelial electrical resistance (TEER), which evaluates the
barrier integrity (closely related with the tightness of the intercellular space); 2) the cell
layer capacitance (Ccl), which can yield information about the membrane surface area;
and 3) the contribution of the medium solution to the impedance.
While EIS is easy to carry out by means of extracellular electrodes, it is challenging
to achieve the uniform current distribution required for accurate measurements within
miniaturized cell culture channels. Then, it may be erroneously assumed that the entire
cell culture area contributes equally to the measurement leading to TEER calculation
errors. This can partially explain the large disparity of TEER values reported for
identical cell types. Here, a numerical study is presented to elucidate this issue in some
cell cultures previously reported and to propose a geometric correction factor (GCF) to
correct this error and be applied retrospectively. This study was also used to optimize a
tetrapolar configuration especially suitable for performing accurate EIS measurements
in microfluidic channels; importantly, it implements minimal electrode coverage so that
the cells can be visualised alongside TEER analysis. A modular perfusion chamber with
integrated electrodes was developed based on this optimal configuration. The device
comprises a disposable porous membrane where the barrier tissue is formed and two
reusable plates where the electrodes are located. Therefore, the tissue on the membrane
can be assembled into the system to be measured and exposed to flow—not only to
apply a fluid mechanical stimuli but also to continuously supply nutrients and remove
waste. Additionally, the concentration of NaCl in both sides of the tissue can be
estimated from the electrical conductance measured with the same integrated electrodes
in a bipolar configuration. An in vitro model of the renal tubule was used to validate the
measurement system. As a result, the concentration of NaCl was estimated from the
conductance enabling in-line measurement of the transepithelial chemical gradient of
NaCl, which is a primary function of the renal tubule.
The development of MPS with multiple interconnected biological barriers will
expand the technology to recapitulate more complex organ-level functions.
Unfortunately, there are multiple technical challenges to reproduce several biological
barriers in a single device while maintaining a particular controlled microenvironment
for each cell type. Here, it is presented a novel microfluidic device where 1) multiple
cell types that are arranged in side-by-side compartments are interconnected with
microgrooves and where 2) multiple barrier tissues are measured through metal
electrodes that are buried under the microgrooves. As a proof-of-concept, the device
was used to mimic the structure of the blood-retinal barrier (BRB) including the inner
and the outer barriers. Both barriers were successfully formed in the device and
monitored in real time, demonstrating its great potential for application to organ-on-achip
technology
Microphysiological systems for modelling and monitoring biological barriers
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.Microphysiological systems (MPS) are biologically inspired microengineered in
vitro models that emulate physiologically relevant in vivo conditions, such as cell
organization and microenvironmental cues. Microtechnologies have enabled the
development of significant MPS that are able to faithfully recapitulate tissue- and
organ-level physiology. MPS are particularly useful for modelling biological barriers,
that is, epithelia and endothelia that separate the blood circulation from tissue
compartments. Their barrier function is crucial to maintain organ homeostasis and their
deregulation play an important role in the pathophysiology of many prevalent human
diseases. The primary function of a barrier tissue is to control the transepithelial
transport of solutes. Therefore, the ability to quantify transport in a barrier model is
critical. Electrical impedance spectroscopy (EIS) permits its quantification with the
advantages of being non-destructive, label-free, and easily applicable in real time. EIS
can determine 1) the transepithelial electrical resistance (TEER), which evaluates the
barrier integrity (closely related with the tightness of the intercellular space); 2) the cell
layer capacitance (Ccl), which can yield information about the membrane surface area;
and 3) the contribution of the medium solution to the impedance.
While EIS is easy to carry out by means of extracellular electrodes, it is challenging
to achieve the uniform current distribution required for accurate measurements within
miniaturized cell culture channels. Then, it may be erroneously assumed that the entire
cell culture area contributes equally to the measurement leading to TEER calculation
errors. This can partially explain the large disparity of TEER values reported for
identical cell types. Here, a numerical study is presented to elucidate this issue in some
cell cultures previously reported and to propose a geometric correction factor (GCF) to
correct this error and be applied retrospectively. This study was also used to optimize a
tetrapolar configuration especially suitable for performing accurate EIS measurements
in microfluidic channels; importantly, it implements minimal electrode coverage so that
the cells can be visualised alongside TEER analysis. A modular perfusion chamber with
integrated electrodes was developed based on this optimal configuration. The device
comprises a disposable porous membrane where the barrier tissue is formed and two
reusable plates where the electrodes are located. Therefore, the tissue on the membrane
can be assembled into the system to be measured and exposed to flow—not only to
apply a fluid mechanical stimuli but also to continuously supply nutrients and remove
waste. Additionally, the concentration of NaCl in both sides of the tissue can be
estimated from the electrical conductance measured with the same integrated electrodes
in a bipolar configuration. An in vitro model of the renal tubule was used to validate the
measurement system. As a result, the concentration of NaCl was estimated from the
conductance enabling in-line measurement of the transepithelial chemical gradient of
NaCl, which is a primary function of the renal tubule.
The development of MPS with multiple interconnected biological barriers will
expand the technology to recapitulate more complex organ-level functions.
Unfortunately, there are multiple technical challenges to reproduce several biological
barriers in a single device while maintaining a particular controlled microenvironment
for each cell type. Here, it is presented a novel microfluidic device where 1) multiple
cell types that are arranged in side-by-side compartments are interconnected with
microgrooves and where 2) multiple barrier tissues are measured through metal
electrodes that are buried under the microgrooves. As a proof-of-concept, the device
was used to mimic the structure of the blood-retinal barrier (BRB) including the inner
and the outer barriers. Both barriers were successfully formed in the device and
monitored in real time, demonstrating its great potential for application to organ-on-achip
technology