Integrated sensors for overcoming organ-on-a-chip monitoring challenges

Abstract

Los dispositivos ‘Organ-On-a-Chip' han revolucionado la forma de conocer la biología que hasta el momento se ha venido realizando con los cultivos celulares. Estos sistemas, que contemplan el co-cultivo en tres dimensiones y tecnología microfluídica, tienen como propósito mimetizar la fisiología humana con sistemas de cultivo in-vitro. Su finalidad es la de incrementar el conocimiento de los procesos biológicos, así como también de disponer de una herramienta de diagnóstico efectiva para el análisis de diferentes fármacos. A medida que aumenta la complejidad biológica de los sistemas de cultivo, la necesidad de analizar y monitorizar su respuesta también aumenta. En la actualidad, el análisis de los sistemas 'Organ-On-a-Chip' se basa principalmente en métodos analíticos convencionales que en la mayoría de casos implica la muerte del cultivo celular, la alteración del sistema microfluídico para la recolección de muestras, la imposibilidad de hacer análisis en tiempo real e incluso el aumento del coste y la complejidad del sistema en su conjunto. Es en este contexto en el que esta tesis intenta desarrollar herramientas para la monitorización de parámetros celulares en tiempo real en sistemas 'Organ-On-a-Chip', ya que se han convertido en una valiosa estrategia para la comprensión de los procesos biológicos complejos que ocurren. Se proponen dos estrategias que no comprometen el funcionamiento del sistema 'Organ-On-a-Chip' como tal. Una de ellas tiene por objetivo monitorizar parámetros físicos de forma externa al sistema de cultivo, usando plataformas modulares que incorporan varios sensores y que pueden ser conectadas en línea con el sistema microfluídico sin intervenir en su funcionamiento. En concreto, se han integrado sensores electroquímicos miniaturizados en un sustrato plástico usando técnicas convencionales de microfabricación y prototipaje rápido, para la medición simultánea de los parámetros de oxígeno disuelto e iones Na+, K+ y pH. La otra estrategia desarrollada en esta tesis va un paso más allá, dado que integra los sensores dentro del mismo sistema 'Organ-On-a-Chip', embebiéndolos en la propia membrana donde se realiza el cultivo celular. El reto consiste en integrar sensores de bajo coste de manera eficiente, en una membrana flexible, muy porosa y delgada. Esto es posible gracias al uso de la tecnología de impresión por inyección de tinta como alternativa a las costosas tecnologías de microfabricación convencionales. Específicamente, se han incorporado y validado sensores electroquímicos de oxígeno disuelto en un sistema real de 'Liver-On-a-Chip' que permite monitorizar el consumo de oxígeno de un cultivo de células epiteliales renales en tiempo real. Ambos son planteamientos válidos, y la elección de uno de ellos dependerá del interés biológico que puede tener realizar mediciones externas o internas al sistema de cultivo, y del grado de complejidad tecnológico que ello implique.

Organ-On-a-Chip devices have changed the way to know the biology being indispensable in the evolution and understanding of the cell culture systems. Organ-On-a-Chip systems are based in three-dimensional microfluidic co-culture models and their purpose is to reproduce a real microenvironment in order to mimic human pathophysiology using in-vitro multicellular models. Their finality is to increase the understanding of the biological processes as well as to develop improved diagnostics and more effective tools for drug screening analysis. As the biological complexity of the cell cultures under investigation increases, the need to analyze and monitor cell culture response also increases. Currently, analysis of Organ-On-a-Chip cell cultures still mainly relies on conventional analytical methods which in most cases involve the death of the cell culture, the disturbance of the microfluidic system for sample collection, the impossibility to observe real-time events, or even the increase of the cost and the complexity of the whole systems. In this context, this thesis work is focused on the development of monitoring tools to allow the analysis of Organ-On-a-Chip parameters in real-time, becoming a valuable strategy for understanding complex biological processes. Two proposed strategies have been addressed for the real-time monitoring without compromising the operation of the system. The first deals with the monitoring of physical parameters externally to an Organ-On-a-Chip systems, using modular sensing platforms connected in-line with the microfluidic system without disturbing it. For this purpose, miniaturized electrochemical sensors have been integrated in a plastic substrate using conventional microfabrication and rapid-prototyping techniques, for the simultaneous measurement of dissolved oxygen, Na+, K+ and pH parameters. The other strategy developed in this thesis goes one step further, with the integration of the sensors inside the Organ-On-a-Chip, embedded in the cell culture membrane. The challenge is to integrate efficiently and cost-effectively the sensors in a high porous and very thin and flexible membrane without damaging it. This is possible because inkjet printing technology is selected as an alternative to the conventional microfabrication technologies due to their digital material deposition without any direct contact with the membrane. Specifically, an array of electrochemical dissolved oxygen sensors have been implemented and validated in a real Liver-on-a-chip system using rat and human epithelial cells. Both proposed strategies are valid approaches, and the choice of one of them is depending on the biological interest, their interest in measuring parameters externally or inside the cell culture system, and the degree of technological complexity involved.