Sensor integration approaches for improved monitoring in Organ-on-a-Chip systems

Abstract

Les limitacions dels models animals i de la experimentació in vitro per predir amb precisió les respostes humanes representen un repte important en la investigació biomèdica, afectant especialment la modelització de malalties i el desenvolupament de fàrmacs. Els dispositius d'òrgans-en-un-xip (OoC), que cultiven cèl·lules en entorns que imiten de prop la fisiologia i la fisiopatologia humanes, ofereixen una possible solució per tancar la bretxa entre la biologia humana i els models tradicionals. La finalitat de la tecnologia OoC no és replicar un òrgan complet, sinó reproduir-ne elements clau de la seva funcionalitat en un sistema a microescala. Els sistemes de monitoratge actuals en els dispositius OoC sovint es basen en mètodes tradicionals que són laboriosos i impliquen un processament de dades que no segueix el ritme dels esdeveniments en temps real. Aquests mètodes sovint requereixen la finalització de l'experiment per a l'anàlisi, cosa que provoca retards en l'accés a les dades, un augment del temps i dels costos, limitacions en la informació en temps real, i una major probabilitat d'errors manuals. La integració d'elements de detecció en els dispositius OoC aborda aquests reptes en permetre l'adquisició automatitzada de dades quantitatives i l'obtenció d'informació en temps real per a la presa de decisions in situ, millorant així tant l'eficiència com la precisió en el procés experimental. Malgrat aquests beneficis, molts sistemes OoC no disposen de capacitats de detecció integrades a causa dels desafiaments tècnics que comporta la integració de sensors. Aquesta bretxa persisteix a causa de la complexitat de la integració de sensors, que requereix coneixements especialitzats en tècniques de microfabricació i accés a instrumentació sofisticada. Aquesta tesi presenta innovacions dirigides a millorar els models humans in vitro i a reduir la dependència de l'experimentació animal. Se centra en el disseny de dispositius i d'elèctrodes, la selecció de materials, i nous mètodes de fabricació per monitorar la funció de barrera, modelar i mesurar els nivells d'oxigen, i detectar l'activitat electrofisiològica neuronal. En primer lloc, es va dissenyar un dispositiu microfluídic amb elèctrodes semitransparents per monitoritzar la integritat dels teixits formadors de barrera. Els elèctrodes semitransparents permeten mesures precises de la funció de barrera mentre mantenen l'accés òptic simultàniament. En segon lloc, es va desenvolupar un dispositiu microfluídic amb capacitat ajustable d'eliminació d'oxigen i amb integració de sensors d'oxigen, per imitar millor el microambient d'oxigen dels teixits en aplicacions OoC. El protocol d'integració de sensors es va desenvolupar utilitzant tecnologies d'impressió per injecció de tinta i es pot adaptar a diversos materials compatibles amb la tecnologia OoC. En tercer lloc, la tesi introdueix plataformes de multisensat que integren múltiples elèctrodes per millorar l'adquisició de dades dels sistemes OoC, permetent una recopilació d'informació més detallada i robusta. Això inclou un dispositiu OoC que integra tant el monitoratge de la funció de barrera com dels nivells d'oxigen. A més, es va desenvolupar una plataforma inspirada en l'origami per detectar l'activitat electrofisiològica de teixits neuronals en 3D, mentre també es monitoritza la funció de barrera. Aquesta tesi demostra el potencial d'integrar elèctrodes en dispositius avançats d'OoC per aprofundir en la comprensió dels processos fisiològics i subratlla els avantatges de l'OoC respecte als models tradicionals.

Las limitaciones de los modelos animales y experimentación in vitro para predecir con precisión las respuestas humanas representan un desafío en la investigación biomédica, afectando la modelización de enfermedades y el desarrollo de fármacos. Los dispositivos de órganos-en-un-chip (OoC) que cultivan células en entornos que imitan de cerca la fisiología y fisiopatología humanas, ofrecen una posible solución para cerrar la brecha entre la biología humana y los modelos tradicionales. El propósito de la tecnología OoC no es replicar un órgano completo, sino reproducir sus funciones clave en un sistema a microescala. Los sistemas de monitoreo actuales en los dispositivos OoC a menudo dependen de métodos tradicionales laboriosos e implican un procesamiento de datos que no sigue el ritmo de los eventos en tiempo real. Estos métodos suelen requerir la terminación del experimento para su análisis, lo que conduce a retrasos en el acceso a los datos, un aumento del tiempo y costos, limitaciones en la obtención de información en tiempo real, y una mayor probabilidad de errores manuales. La integración de elementos de detección en los dispositivos OoC aborda estos desafíos al permitir la adquisición automatizada de datos cuantitativos y la obtención de información en tiempo real para la toma de decisiones in situ, mejorando así tanto la eficiencia como la precisión en el proceso experimental. A pesar de estos beneficios, muchos sistemas OoC carecen de capacidades de detección integradas debido a los desafíos técnicos que presenta la integración de sensores. Esta brecha persiste debido a la complejidad de la integración de sensores, que requiere conocimientos especializados en técnicas de microfabricación y acceso a instrumentación sofisticada. Esta tesis presenta innovaciones dirigidas a mejorar los modelos humanos in vitro y a reducir la dependencia de la experimentación animal. Se centra en el diseño de dispositivos y electrodos, la selección de materiales, y nuevos métodos de fabricación para monitorear la función de barrera, modelar y medir los niveles de oxígeno, y detectar la actividad electrofisiológica neuronal. En primer lugar, se diseñó un dispositivo microfluídico con electrodos semitransparentes para monitorizar la integridad de los tejidos formadores de barrera. Los electrodos semitransparentes permiten mediciones precisas de la función de barrera mientras se mantiene el acceso óptico simultáneamente. En segundo lugar, se desarrolló un dispositivo microfluídico con capacidad de eliminación de oxígeno ajustable e integración de sensores de oxígeno, para imitar mejor el microambiente de oxígeno de los tejidos en aplicaciones de OoC. El protocolo de integración de sensores se desarrolló utilizando tecnologías de impresión por inyección de tinta y puede adaptarse a diversos materiales compatibles con la tecnología OoC. En tercer lugar, la tesis introduce plataformas de multisensado que integran múltiples electrodos para mejorar la adquisición de datos de los sistemas OoC, permitiendo una recopilación de información más detallada y robusta. Esto incluye un dispositivo OoC que integra tanto el monitoreo de la función de barrera como de los niveles de oxígeno. Además, se desarrolló una plataforma inspirada en el origami para detectar la actividad electrofisiológica de tejidos neuronales en 3D mientras se monitoriza también la función de barrera. Esta tesis demuestra el potencial de integrar electrodos en dispositivos avanzados de OoC para profundizar nuestra comprensión de los procesos fisiológicos y resalta las ventajas de OoC sobre los modelos tradicionales.

The limitations of animal and in vitro models to accurately predict human responses pose a major challenge in biomedical research, particularly impacting disease modeling and drug development. Organs-on-a-chip (OoCs) devices that culture cells in environments closely mimicking human physiology and pathophysiology offer a potential solution to bridge the gap between human biology and traditional models. The purpose of OoC technology is not to replicate an entire organ but to reproduce key elements of its functionality in a microscale system. Current readout systems in OoC devices often rely on traditional methods that are labor-intensive and involve data processing that lags behind real-time events. These methods frequently require the termination of the experiment for analysis, leading to delays in data access, increased time and costs, limited real-time insights, and a higher likelihood of manual errors. Integrating sensing elements into OoC devices addresses these challenges by enabling automated quantitative data acquisition and real-time information for in-situ decision-making, thereby improving both efficiency and accuracy in the experimental process. Despite these benefits, many OoC systems lack integrated sensing capabilities due to the technical challenges of sensor integration. This gap persists due to the complexity of integrating sensors, which requires specialized expertise in microfabrication techniques and access to sophisticated instrumentation. This thesis presents innovations aimed at enhancing in vitro human models and reducing reliance on animal testing. It focuses on the design of the devices and electrodes, material selection, and novel fabrication methods to monitor barrier function, model and measure oxygen levels, and detect neuronal electrophysiological activity. First, a microfluidic device with semitransparent electrodes was designed to monitor the integrity of barrier-forming tissues. The semitransparent electrodes allow to match the electrode area with the cell culture area for accurate measurements of barrier function while allowing optical access simultaneously. Second, a microfluidic device with adjustable oxygen scavenging capacity with integrated oxygen sensors was developed to better mimic the oxygen microenvironment of tissues for OoC applications. The sensor integration protocol was developed using inkjet printing technologies and can be adapted to various materials that are compatible with OoC technology. Third, the thesis introduces multi-sensing platforms that integrate multiple electrodes to enhance data acquisition from OoC systems, allowing for more detailed and robust information collection. This includes an OoC device that integrates both barrier function and oxygen level monitoring. Additionally, an origami-inspired platform was developed to sense the electrophysiological activity of neuronal 3D tissues while also monitoring barrier function. This thesis demonstrates the potential of integrating electrodes into advanced OoC devices to deepen our understanding of physiological processes and highlights the advantages of OoC over traditional models.