The small airway-on-a-chip allows the recapitulation of human lung pathophysiology in vitro and analysis of responses to drugs. Here we describe the development of a human lung 'small airway-on-a-chip' containing a differentiated, mucociliary bronchiolar epithelium and an underlying microvascular endothelium that experiences fluid flow, which allows for analysis of organ-level lung pathophysiology in vitro. Exposure of the epithelium to interleukin-13 (IL-13) reconstituted the goblet cell hyperplasia, cytokine hypersecretion and decreased ciliary function of asthmatics. Small airway chips lined with epithelial cells from individuals with chronic obstructive pulmonary disease recapitulated features of the disease such as selective cytokine hypersecretion, increased neutrophil recruitment and clinical exacerbation by exposure to viral and bacterial infections. With this robust in vitro method for modeling human lung inflammatory disorders, it is possible to detect synergistic effects of lung endothelium and epithelium on cytokine secretion, identify new biomarkers of disease exacerbation and measure responses to anti-inflammatory compounds that inhibit cytokine-induced recruitment of circulating neutrophils under flow.

The rising threat of pandemic viruses, such as SARS-CoV-2, requires development of new preclinical discovery platforms that can more rapidly identify therapeutics that are active in vitro and also translate in vivo . Here we show that human organ-on-a-chip (Organ Chip) microfluidic culture devices lined by highly differentiated human primary lung airway epithelium and endothelium can be used to model virus entry, replication, strain-dependent virulence, host cytokine production, and recruitment of circulating immune cells in response to infection by respiratory viruses with great pandemic potential. We provide a first demonstration of drug repurposing by using oseltamivir in influenza A virus-infected organ chip cultures and show that co-administration of the approved anticoagulant drug, nafamostat, can double oseltamivir’s therapeutic time window. With the emergence of the COVID-19 pandemic, the Airway Chips were used to assess the inhibitory activities of approved drugs that showed inhibition in traditional cell culture assays only to find that most failed when tested in the Organ Chip platform. When administered in human Airway Chips under flow at a clinically relevant dose, one drug – amodiaquine - significantly inhibited infection by a pseudotyped SARS-CoV-2 virus. Proof of concept was provided by showing that amodiaquine and its active metabolite (desethylamodiaquine) also significantly reduce viral load in both direct infection and animal-to-animal transmission models of native SARS-CoV-2 infection in hamsters. These data highlight the value of Organ Chip technology as a more stringent and physiologically relevant platform for drug repurposing, and suggest that amodiaquine should be considered for future clinical testing.

Here we demonstrate that influenza virus replication, host responses to infection, evolution through mutation or gene reassortment, and clinical efficacy of antiviral drugs can be reconstituted in a human Airway Chip microfluidic culture device. Modeling human-to-human transmission of infection in the continued presence of antiviral drugs on chips led to the emergence of clinically prevalent mutations responsible for amantadine- and oseltamivir-resistance, as well as the discovery of new resistance mutations. Analysis of infection responses resulted in identification of host therapeutic targets and demonstration that existing non-antiviraldrugs may be repurposed to inhibit viral replication and synergize with antiviral therapeutics by targeting the host response to infection rather than the virus itself. This Influenza Chip may represent an alternative preclinical tool for development of new antiviral drugs and vaccines.