This paper describes a convenient methodology for patterning substrates for cell culture that allows the positions and dimensions of attached cells to be controlled. The method uses self-assembled monolayers (SAMs) of terminally substituted alkanethiolates (R(CH2)11-15S-) adsorbed on optically transparent films of gold or silver to control the properties of the substrates. SAMs terminated in methyl groups adsorb protein and SAMs terminated in oligo(ethylene glycol) groups resist entirely the adsorption of protein. This methodology uses microcontact printing (microCP)-an experimentally simple, nonphotolithographic process-to pattern the formation of SAMs at the micrometer scale; microCP uses an elastomeric stamp having at its surface a pattern in relief to transfer an alkanethiol to a surface of gold or silver in the same pattern. Patterned SAMs having hydrophobic, methyl-terminated lines 10, 30, 60, and 90 microm in width and separated by protein-resistant regions 120 microm in width were prepared and coated with fibronectin; the protein adsorbed only to the methyl-terminated regions. Bovine capillary endothelial cells attached only to the fibronectin-coated, methyl-terminated regions of the patterned SAMs. The cells remained attached to the SAMs and confined to the pattern of underlying SAMs for at least 5-7 days. Because the substrates are optically transparent, cells could be visualized by inverted microscopy and by fluorescence microscopy after fixing and staining with fluorescein-labeled phalloidin.

Here we describe of an ‘Interrogator’ instrument that uses liquid-handling robotics, a custom software package, and an integrated mobile microscope to enable automated culture, perfusion, medium addition, fluidic linking, sample collection, and in situ microscopic imaging of up to 10 Organ Chips inside a standard tissue culture incubator. The automated Interrogator platform maintained the viability and organ-specific functions of 8 different vascularized, 2-channel, Organ Chips (intestine, liver, kidney, heart, lung, skin, blood-brain barrier (BBB), and brain) for 3 weeks in culture when fluidically coupled through their endothelium-lined vascular channels using a common blood substitute medium. When an inulin tracer was perfused through the multi-organ Human Body-on-Chips (HuBoC) fluidic network, quantitative distributions of this tracer could be accurately predicted using a physiologically-based multi-compartmental reduced order (MCRO) in silico model of the experimental system derived from first principles. This automated culture platform enables non-invasive imaging of cells within human Organ Chips and repeated sampling of both the vascular and interstitial compartments without compromising fluidic coupling, which should facilitate future HuBoc studies and pharmacokinetics (PK) analysis in vitr o.

Abstract Modulation of the cervix by steroid hormones and commensal microbiome play a central role in the health of the female reproductive tract. Here we describe organ-on-a-chip (Organ Chip) models that recreate the human cervical epithelial-stromal interface with a functional epithelial barrier and production of mucus with biochemical and hormone-responsive properties similar to living cervix. When Cervix Chips are populated with optimal healthy versus dysbiotic microbial communities (dominated by Lactobacillus crispatus and Gardnerella vaginalis , respectively), significant differences in tissue innate immune responses, barrier function, cell viability, proteome, and mucus composition are observed that are similar to those seen in vivo. Thus, human Cervix Organ Chips represent physiologically relevant in vitro models to study cervix physiology and host-microbiome interactions, and hence may be used as a preclinical testbed for development of therapeutic interventions to enhance women’s health.

Abstract Many patients infected with coronaviruses, such as SARS-CoV-2 and NL63 that use ACE2 receptors to infect cells, exhibit gastrointestinal symptoms and viral proteins are found in the human gastrointestinal tract, yet little is known about the inflammatory and pathological effects of coronavirus infection on the human intestine. Here, we used a human intestine-on-a-chip (Intestine Chip) microfluidic culture device lined by patient organoid-derived intestinal epithelium interfaced with human vascular endothelium to study host cellular and inflammatory responses to infection with NL63 coronavirus. These organoid-derived intestinal epithelial cells dramatically increased their ACE2 protein levels when cultured under flow in the presence of peristalsis-like mechanical deformations in the Intestine Chips compared to when cultured statically as organoids or in Transwell inserts. Infection of the intestinal epithelium with NL63 on-chip led to inflammation of the endothelium as demonstrated by loss of barrier function, increased cytokine production, and recruitment of circulating peripheral blood mononuclear cells (PMBCs). Treatment of NL63 infected chips with the approved protease inhibitor drug, nafamostat, inhibited viral entry and resulted in a reduction in both viral load and cytokine secretion, whereas remdesivir, one of the few drugs approved for COVID19 patients, was not found to be effective and it also was toxic to the endothelium. This model of intestinal infection was also used to test the effects of other drugs that have been proposed for potential repurposing against SARS-CoV-2. Taken together, these data suggest that the human Intestine Chip might be useful as a human preclinical model for studying coronavirus related pathology as well as for testing of potential anti-viral or anti-inflammatory therapeutics.

Abstract Mass cytometry uses metal-isotope-tagged antibodies to label targets of interest, which enables simultaneous measurements of ~50 proteins or protein modifications in millions of single cells, but its sensitivity is limited. Here, we present a signal amplification technology, termed Amplification by Cyclic Extension (ACE), implementing thermal-cycling-based DNA in situ concatenation in combination with 3-cyanovinylcarbazole phosphoramidite-based DNA crosslinking to enable signal amplification simultaneously on >30 protein epitopes. We demonstrate the utility of ACE in low-abundance protein quantification with suspension mass cytometry to characterize molecular reprogramming during the epithelial-to-mesenchymal transition as well as the mesenchymal-to-epithelial transition. We show the capability of ACE to quantify the dynamics of signaling network responses in human T lymphocytes. We further present the application of ACE in imaging mass cytometry-based multiparametric tissue imaging to identify tissue compartments and profile spatial aspects related to pathological states in polycystic kidney tissues.

Candidate vaccines and immunotherapeutic drugs often fail in clinical trials as human lymph node (LN) physiology is not faithfully modeled in animal models or immune cell cultures. Here we describe a microfluidic Organ Chip culture device that supports self-assembly of human blood-derived B and T lymphocytes into three-dimensional (3D), germinal center-like lymphoid follicles (LFs) containing Activation-Induced Cytidine Deaminase (AID) expressing lymphocytes. These microengineered LFs support plasma cell differentiation upon activation with IL-4 and CD40 agonistic antibody (AB) or inactivated S. aureus Cowan I (SAC). Immunization of the human LN chip with a quadrivalent split virion influenza vaccine resulted in plasma cell formation, viral strain-specific anti-hemagglutinin immunoglobulin G (IgG) production, and a secreted cytokine profile that recapitulates serum responses of vaccinated humans. Thus, the human LN chip may provide a new tool to study human immune reactions, evaluate vaccine responses, and validate the efficacies and toxicities of immunotherapies in vitro.

The diverse bacterial populations that comprise the commensal microbiota of the human intestine play a central role in health and disease, yet no method is available to sustain these complex microbial communities in direct contact with living human intestinal cells and their overlying mucus layer in vitro. Here we describe a human Organ-on-a-Chip (Organ Chip) microfluidic platform that permits control and real-time assessment of physiologically-relevant oxygen gradients, and which enables co-culture of living human intestinal epithelium with stable communities of aerobic and anaerobic human gut microbiota. When compared to aerobic co-culture conditions, establishment of a transluminal hypoxia gradient sustained higher microbial diversity with over 200 unique operational taxonomic units (OTUs) from 11 different genera, and an abundance of obligate anaerobic bacteria with ratios of Firmicutes and Bacteroidetes similar to those observed in human feces, in addition to increasing intestinal barrier function. The ability to culture human intestinal epithelium overlaid by complex human gut microbial communities within microfluidic Intestine Chips may enable investigations of host-microbiome interactions that were not possible previously, and serve as a discovery tool for development of new microbiome-related therapeutics, probiotics, and nutraceuticals.

Nonclinical rodent and non-rodent toxicity models used to support clinical trials of candidate drugs may produce discordant results or fail to predict complications in humans contributing to drug failures in the clinic. Here we applied microengineered Organ-on-Chip (Organ-Chip) technology to design rat, dog, and human Liver-Chips containing species-specific primary hepatocytes interfaced with liver sinusoidal endothelial cells, with or without Kupffer cells and hepatic stellate cells, cultured under physiological fluid flow. The Liver-Chips detected diverse phenotypes of liver toxicity including hepatocellular injury, steatosis, cholestasis, and fibrosis as well as species-specific toxicities when treated with tool compounds. Multi-species Liver-Chips may provide a useful platform for prediction of liver toxicity and inform human relevance of liver toxicities detected in animal studies to better determine safety and human risk.

Understanding human bone marrow (BM) pathophysiology in the context of myelotoxic stress induced by drugs, radiation, or genetic mutations is of critical importance in clinical medicine. However, study of these dynamic cellular responses is hampered by the inaccessibility of living BM in vivo. Here, we describe a vascularized human Bone Marrow-on-a-Chip (BM Chip) microfluidic culture device for modeling bone marrow function and disease states. The BM Chip is comprised of a fluidic channel filled with a fibrin gel in which patient-derived CD34+ cells and bone marrow-derived stromal cells (BMSCs) are co-cultured, which is separated by a porous membrane from a parallel fluidic channel lined by human vascular endothelium. When perfused with culture medium through the vascular channel, the BM Chip maintains human CD34+ cells and supports differentiation and maturation of multiple blood cell lineages over 1 month in culture. Moreover, it recapitulates human myeloerythroid injury responses to drugs and gamma radiation exposure, as well as key hematopoietic abnormalities found in patients with the genetic disorder, Shwachman-Diamond Syndrome (SDS). These data establish the BM Chip as a new human in vitro model with broad potential utility for studies of BM dysfunction.

The SARS-CoV-2 pandemic has caused over 1 million deaths globally, mostly due to acute lung injury and acute respiratory distress syndrome, or direct complications resulting in multiple-organ failures. Little is known about the host tissue immune and cellular responses associated with COVID-19 infection, symptoms, and lethality. To address this, we collected tissues from 11 organs during the clinical autopsy of 17 individuals who succumbed to COVID-19, resulting in a tissue bank of approximately 420 specimens. We generated comprehensive cellular maps capturing COVID-19 biology related to patients' demise through single-cell and single-nucleus RNA-Seq of lung, kidney, liver and heart tissues, and further contextualized our findings through spatial RNA profiling of distinct lung regions. We developed a computational framework that incorporates removal of ambient RNA and automated cell type annotation to facilitate comparison with other healthy and diseased tissue atlases. In the lung, we uncovered significantly altered transcriptional programs within the epithelial, immune, and stromal compartments and cell intrinsic changes in multiple cell types relative to lung tissue from healthy controls. We observed evidence of: alveolar type 2 (AT2) differentiation replacing depleted alveolar type 1 (AT1) lung epithelial cells, as previously seen in fibrosis; a concomitant increase in myofibroblasts reflective of defective tissue repair; and, putative TP63 + intrapulmonary basal-like progenitor (IPBLP) cells, similar to cells identified in H1N1 influenza, that may serve as an emergency cellular reserve for severely damaged alveoli. Together, these findings suggest the activation and failure of multiple avenues for regeneration of the epithelium in these terminal lungs. SARS-CoV-2 RNA reads were enriched in lung mononuclear phagocytic cells and endothelial cells, and these cells expressed distinct host response transcriptional programs. We corroborated the compositional and transcriptional changes in lung tissue through spatial analysis of RNA profiles in situ and distinguished unique tissue host responses between regions with and without viral RNA, and in COVID-19 donor tissues relative to healthy lung. Finally, we analyzed genetic regions implicated in COVID-19 GWAS with transcriptomic data to implicate specific cell types and genes associated with disease severity. Overall, our COVID-19 cell atlas is a foundational dataset to better understand the biological impact of SARS-CoV-2 infection across the human body and empowers the identification of new therapeutic interventions and prevention strategies.