Development of a microfluidic dual-compartment cell-chip for cell co-culture models for pharmaceutical screening

Abstract

Gegenwärtig ist die Entwicklung neuer Medikamente ein teurer und zeitaufwendiger Prozess. Präklinische und klinische Studien sind notwendig, zu denen häufig Studien an Tiermodellen und Menschen gehören. Während Studien an Tieren den Nachteil haben, dass die Ergebnisse möglicherweise nicht auf den Menschen übertragbar sind, haben sie auch ethische Bedenken. Auf der anderen Seite sind verfügbare in-vitro-Modelle oft zu vereinfacht, um für Studien im Zusammenhang mit der Arzneimittelaufnahme im menschlichen Körper geeignet zu sein. Im Rahmen des pharmazeutischen Screenings ist der Dünndarm von großem Interesse, da er der Hauptaufnahmeort ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mikrofluidischer Zell-Chip entwickelt, welcher die Möglichkeit bietet, humane intestinale Epithelzellen und vaskuläre Endothelzellen auf zwei Seiten einer mikroporösen PET-Membran zu co-kultivieren und somit die physiologische Schnittstelle zwischen diesen Zellen nachzuahmen. CaCo-2 Zellen und HUVECs wurden ausgewählt, um dieses Modell zu implementieren. Zunächst wurden ihre Kulturbedingungen optimiert. Im nächsten Schritt wurde der Zell-Chip mit zwei parallelen Kulturkanälen implementiert. In diesem Zusammenhang lag der Fokus auf der Verbindung der verschiedenen Schichten des Chips, speziell der mikroporösen PET-Membran und der PDMS-Schichten, die die Mikrokanäle enthalten. Schließlich wurden CaCo-2 Zellen und HUVECs im Zell-Chip kultiviert, um die für die Arzneimittelaufnahme relevante Darmbarriere zu modellieren. Modelle wie das in dieser Arbeit vorgestellte haben das Potenzial, in-vivo-Studien an Tieren und Menschen in der Zukunft zu reduzieren, und damit Kosten und ethische Bedenken im Zusammenhang mit der Entwicklung von Medikamenten zu reduzieren.

Currently, the development of new medical drugs is an expensive and time-consuming process. Pre-clinical and clinical trials are necessary, which commonly include studies on animal models and humans. While studies on animals have the drawback that the results might not be transferable to humans, they also come with ethical concerns. On the other hand, available in-vitro models are often too simplified to be suitable for studies related to drug uptake in the human body. In the context of pharmaceutical screening the small intestine is of great interest, as it is the main site of uptake. In the scope of this thesis, a microfluidic device was developed that provides the possibility to co-culture human intestinal epithelial cells and vascular endothelial cells on two sides of a microporous PET membrane, mimicking the physiological interface between these cells. CaCo-2 cells and HUVECs were chosen to implement this model. First, their culture conditions were optimized. In the next step, the microfluidic device containing two parallel culture channels was implemented. In this context, the focus lay on the bonding of the several layers of the device, specifically of the microporous PET membrane and the PDMS layers which contained the microchannels. Finally, epithelial and endothelial cells were cultured in the cell-chip to model the intestinal barrier relevant in drug uptake. Models like the one presented in this work have the potential to reduce in-vivo studies on animals and humans in the future, thus reducing costs and ethical concerns associated with drug development.