Microphysiological systems for modelling and monitoring biological barriers

Premi Extraordinari de Doctorat concedit pels programes de doctorat de la UAB per curs acadèmic 2017-2018
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 pro
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 retrospective