The high selectivity of the human blood-brain barrier (BBB) restricts delivery of many pharmaceuticals and therapeutic antibodies to the central nervous system. Here, we describe an in vitro microfluidic organ-on-a-chip BBB model lined by induced pluripotent stem cell-derived human brain microvascular endothelium interfaced with primary human brain astrocytes and pericytes that recapitulates the high level of barrier function of the in vivo human BBB for at least one week in culture. The endothelium expresses high levels of tight junction proteins and functional efflux pumps, and it displays selective transcytosis of peptides and antibodies previously observed in vivo. Increased barrier functionality was accomplished using a developmentally-inspired induction protocol that includes a period of differentiation under hypoxic conditions. This enhanced BBB Chip may therefore represent a new in vitro tool for development and validation of delivery systems that transport drugs and therapeutic antibodies across the human BBB.

Neurovascular inflammation is a major contributor to many neurological disorders, but modeling these processes in vitro has proven to be difficult. Here, we microengineered a three-dimensional (3D) model of the human blood-brain barrier (BBB) within a microfluidic chip by creating a cylindrical collagen gel containing a central hollow lumen inside a microchannel, culturing primary human brain microvascular endothelial cells on the gel's inner surface, and flowing medium through the lumen. Studies were carried out with the engineered microvessel containing endothelium in the presence or absence of either primary human brain pericytes beneath the endothelium or primary human brain astrocytes within the surrounding collagen gel to explore the ability of this simplified model to identify distinct contributions of these supporting cells to the neuroinflammatory response. This human 3D BBB-on-a-chip exhibited barrier permeability similar to that observed in other in vitro BBB models created with non-human cells, and when stimulated with the inflammatory trigger, tumor necrosis factor-alpha (TNF-α), different secretion profiles for granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) and interleukin-6 (IL-6) were observed depending on the presence of astrocytes or pericytes. Importantly, the levels of these responses detected in the 3D BBB chip were significantly greater than when the same cells were co-cultured in static Transwell plates. Thus, as G-CSF and IL-6 have been reported to play important roles in neuroprotection and neuroactivation in vivo, this 3D BBB chip potentially offers a new method to study human neurovascular function and inflammation in vitro, and to identify physiological contributions of individual cell types.

Combined integration of TEER and MEA sensors in a single endothelialized Organ-on-Chip platform.

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 Surface plasmon resonance biosensor technology (SPR) is ideally suited for fragment-based lead discovery. However, generally suitable experimental procedures or detailed protocols are lacking, especially for structurally or physico-chemically challenging targets or when tool compounds are lacking. Success depends on accounting for the features of both the target and the chemical library, purposely designing screening experiments for identification and validation of hits with desired specificity and mode-of-action, and availability of orthogonal methods capable of confirming fragment hits. By adopting a multiplexed strategy, the range of targets and libraries amenable to an SPR biosensor-based approach for identifying hits is considerably expanded. We here illustrate innovative strategies using five challenging targets and variants thereof. Two libraries of 90 and 1056 fragments were screened using two different flow-based SPR biosensor systems, allowing different experimental approaches. Practical considerations and procedures accounting for the characteristics of the proteins and libraries, and that increase robustness, sensitivity, throughput and versatility are highlighted.

The highly specialized human brain microvascular endothelium forms a selective blood-brain barrier (BBB) with adjacent pericytes and astrocytes that restricts delivery of many pharmaceuticals and therapeutic antibodies to the central nervous system. Here, we describe an in vitro microfluidic 'organ-on-a-chip' (Organ Chip) model of the BBB lined by induced pluripotent stem cell-derived human brain microvascular endothelium (iPS-BMVEC) interfaced with primary human brain astrocytes and pericytes that recapitulates the high level of barrier function of the in vivo human BBB for at least one week in culture. The endothelium expresses high levels of tight junction proteins, multiple functional efflux pumps, and displays selective transcytosis of peptides and anti-transferrin receptor antibodies previously observed in vivo. This increased level of barrier functionality was accomplished using a developmentally-inspired induction protocol that includes a period of differentiation under hypoxic conditions. This enhanced BBB Chip may therefore represent a new in vitro tool for development and validation of delivery systems that transport drugs and therapeutic antibodies across the human BBB.