Analysis of methods for physical and biological characterization and validation of microphysiological systems (MPSs)

Microphysiological systems (MPSs), also known as 'Organ-On-a-Chip' (OCC), have revolutionized the way of understanding biology. These systems, which include three-dimensional co-culture and microfluidic technology, aim to mimic human physiology with in-vitro culture systems. Their purpose is to increase the knowledge of biological processes, as well as to provide an effective diagnostic tool for the analysis of different drugs. Standardization of MPSs implies the robustness and reproducibility of these devices and is desirable for their industrialization, production and regularization. However, due to the early stage of academic and commercial development of this technology, no standardization procedure exists in the literature to date. Therefore, experts recommend focusing on the characterization or qualification of these devices. This characterization and qualification of microphysiological systems involves testing the different elements that make up the device to ensure that their configuration mimics the physiology of the human structures represented, behaving and providing values as similar as possible to those of the tissues in vivo. It is in this context that this thesis attempts to develop a characterization protocol applicable to any 'Organ-On-a-Chip' system based on the tests carried out and compiled in the literature of devices in the experimental or commercialization phase. Specifically, a characterization and qualification procedure is presented in which the membrane permeability is monitored in real time depending on device elements such as the presence or not of cell culture, the application or not of microfluids, among others. The choice of the assays to be performed, from among those described in the protocol, will depend on the elements of the OCC to be characterized.Els sistemes microfisiològics (MPSs), també coneguts com a "Organ-On-a-Chip" (OCC), han revolucionat la manera d'entendre la biologia. Aquests sistemes, que inclouen el co-cultiu tridimensional i la tecnologia microfluídica, pretenen imitar la fisiologia humana amb els sistemes de cultiu in-vitro. El seu objectiu és augmentar el coneixement dels processos biològics, així com proporcionar una eina de diagnòstic eficaç per a l'anàlisi de diferents fàrmacs. L'estandardització de MPSs implica la robustesa i reproductibilitat d'aquests dispositius i és desitjable per a la seva industrialització, producció i regularització. No obstant això, a causa de la primera etapa del desenvolupament acadèmic i comercial d'aquesta tecnologia, no existeix cap procediment d'estandardització en la literatura fins a data d’avui. Per tant, els experts recomanen centrar-se en la caracterització o qualificació d'aquests dispositius. Aquesta caracterització i qualificació de sistemes microfisiològics implica provar els diferents elements que componen el dispositiu per assegurar que la seva configuració imiti la fisiologia de les estructures humanes representades, comportant-se i proporcionant valors el més similars possible als dels teixits in-vivo. És en aquest context que aquesta tesi intenta desenvolupar un protocol de caracterització aplicable a qualsevol sistema "Organ-On-a-Chip" basat en les proves realitzades i compilades en la literatura de dispositius en la fase experimental o de comercialització. Concretament, es presenta un procediment de caracterització i qualificació en el qual la permeabilitat de la membrana es controla en temps real depenent dels elements del dispositiu com la presència o no del cultiu cel·lular, l'aplicació o no de microfluids, entre d'altres. L'elecció dels assaigs a realitzar, d'entre els descrits en el protocol, dependrà dels elements de l'OCC que el caracteritzin.Los sistemas microfisiológicos (MPSs), también conocidos como "Organ-On-a-Chip" (OCC), han revolucionado la forma de entender la biología. Estos sistemas, que incluyen el co-cultivo tridimensional y la tecnología microfluídica, pretenden imitar la fisiología humana con sistemas de cultivo in vitro. Su finalidad es aumentar el conocimiento de los procesos biológicos, así como proporcionar una herramienta de diagnóstico eficaz para el análisis de diferentes fármacos. La estandarización de los MPSs implica la robustez y reproducibilidad de estos dispositivos y es deseable para su industrialización, producción y regularización. Sin embargo, debido a la temprana etapa de desarrollo académico y comercial de esta tecnología, hasta la fecha no existe en la literatura ningún procedimiento de estandarización. Por ello, los expertos recomiendan centrarse en la caracterización o cualificación de estos dispositivos. Esta caracterización y cualificación de los sistemas microfisiológicos implica probar los diferentes elementos que componen el dispositivo para asegurar que su configuración imita la fisiología de las estructuras humanas representadas, comportándose y proporcionando valores lo más similares posibles a los de los tejidos in vivo. Es en este contexto en el que esta tesis trata de desarrollar un protocolo de caracterización aplicable a cualquier sistema 'Organ-On-a-Chip' basado en las pruebas realizadas y recopiladas en la literatura de dispositivos en fase experimental o de comercialización. En concreto, se presenta un procedimiento de caracterización y cualificación en el que se monitoriza en tiempo real la permeabilidad de la membrana en función de elementos del dispositivo como la presencia o no de cultivo celular, la aplicación o no de microfluidos, entre otros. La elección de los ensayos a realizar, de entre los descritos en el protocolo, dependerá de los elementos del OCC a caracterizar.Outgoin