We established a microfluidic four-organ-chip for interconnected long-term co-culture of human intestine (1), liver (2), skin (3) and kidney (4) equivalents.

Current in vitro and animal tests for drug development are failing to emulate the systemic organ complexity of the human body and, therefore, to accurately predict drug toxicity. In this study, we present a multi-organ-chip capable of maintaining 3D tissues derived from cell lines, primary cells and biopsies of various human organs. We designed a multi-organ-chip with co-cultures of human artificial liver microtissues and skin biopsies, each a 1/100 000 of the biomass of their original human organ counterparts, and have successfully proven its long-term performance. The system supports two different culture modes: i) tissue exposed to the fluid flow, or ii) tissue shielded from the underlying fluid flow by standard Transwell® cultures. Crosstalk between the two tissues was observed in 14-day co-cultures exposed to fluid flow. Applying the same culture mode, liver microtissues showed sensitivity at different molecular levels to the toxic substance troglitazone during a 6-day exposure. Finally, an astonishingly stable long-term performance of the Transwell®-based co-cultures could be observed over a 28-day period. This mode facilitates exposure of skin at the air–liquid interface. Thus, we provide here a potential new tool for systemic substance testing.

Substantial progress has been achieved over the last few decades in the development of skin equivalents to model the skin as an organ. However, their static culture still limits the emulation of essential physiological properties crucial for toxicity testing and compound screening. Here, we describe a dynamically perfused chip-based bioreactor platform capable of applying variable mechanical shear stress and extending culture periods. This leads to improvements of culture conditions for integrated in vitro skin models, ex vivo skin organ cultures and biopsies of single hair follicular units.

Human in vitro physiological models studying disease and drug treatment effects are urgently needed as more relevant tools to identify new drug targets and therapies. We have developed a human microfluidic two-organ-chip model to study pancreatic islet-liver cross-talk based on insulin and glucose regulation. We have established a robust co-culture of human pancreatic islet microtissues and liver spheroids maintaining functional responses up to 15 days in an insulin-free medium. Functional coupling, demonstrated by insulin released from the islet microtissues in response to a glucose load applied in glucose tolerance tests on different days, promoted glucose uptake by the liver spheroids. Co-cultures maintained postprandial glucose concentrations in the circulation whereas glucose levels remained elevated in both single cultures. Thus, insulin secreted into the circulation stimulated glucose uptake by the liver spheroids, while the latter, in the absence of insulin, did not consume glucose as efficiently. As the glucose concentration fell, insulin secretion subsided, demonstrating a functional feedback loop between the liver and the insulin-secreting islet microtissues. Finally, inter-laboratory validation verified robustness and reproducibility. Further development of this model using tools inducing impaired glucose regulation should provide a unique in vitro system emulating human type 2 diabetes mellitus.

Abstract Microphysiological systems (MPS) are powerful tools for emulating human physiology and replicating disease progression in vitro . MPS could be better predictors of human outcome than current animal models, but mechanistic interpretation and in vivo extrapolation of the experimental results remain significant challenges. Here, we address these challenges using an integrated experimental-computational approach. This approach allows for in silico representation and predictions of glucose metabolism in a previously reported MPS with two organ compartments (liver and pancreas) connected in a closed loop with circulating medium. We developed a computational model describing glucose metabolism over 15 days of culture in the MPS. The model was calibrated on an experiment-specific basis using data from seven experiments, where single-liver or liver-islet cultures were exposed to both normal and hyperglycemic conditions resembling high blood glucose levels in diabetes. The calibrated models reproduced the fast (i.e. hourly) variations in glucose and insulin observed in the MPS experiments, as well as the long-term (i.e. over weeks) decline in both glucose tolerance and insulin secretion. We also investigated the behavior of the system under hypoglycemia by simulating this condition in silico , and the model could correctly predict the glucose and insulin responses measured in new MPS experiments. Last, we used the computational model to translate the experimental results to humans, showing good agreement with published data of the glucose response to a meal in healthy subjects. The integrated experimental-computational framework opens new avenues for future investigations toward disease mechanisms and the development of new therapies for metabolic disorders.

Microphysiological systems are fundamental for progressing towards a global paradigm shift in drug development through the generation of patient-on-a-chip models. An increasing number of single- and multi-organ systems have been adopted by the pharmaceutical and cosmetic industries for predictive substance testing. These models run on heterogeneous tissues and cell types from different donors. However, a patient is an individual. Therefore, patient-on-a-chip systems need to be built from tissues from one autologous source. Individual on-chip organ differentiation from a single induced pluripotent stem cell source could provide a solution to this challenge. We designed a four-organ chip based on human physiology. It enables the interconnection of miniaturized human intestine, liver, brain and kidney equivalents. All four organ models were pre-differentiated from induced pluripotent stem cells from the same healthy donor and integrated into the microphysiological system. The cross talk led to further differentiation over a 14-day cultivation period under pulsatile blood flow conditions in one common medium deprived of growth factors. This model platform will pave the way for disease induction and subsequent drug testing.

Multipotent hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC) reside in specialized stem cell niches within the bone marrow, that provide a suitable microenvironment for lifelong maintenance of the stem cells. Meaningful in vitro models recapitulating the in vivo stem cell niche biology can be employed for both basic research as well as for applied sciences and represent a powerful tool to reduce animal tests in preclinical studies. Recently we published the generation of an in vitro bone marrow niche model, capable of long-term cultivation of HSC based on an organ-on-a-chip platform. This study provides a detailed analysis of the 3D culture system including matrix environment analysis by SEM, transcriptome analysis and system intrinsic differentiation induction. Furthermore, the bone marrow on a chip model can serve to multiply and harvest HSPC, since repeated cell removal not compromised the functionality of the culture system. The prolongation of the culture time to 8 weeks demonstrate the capacity to apply the model in repeated drug testing experiments. The quality of the presented system is emphasized by the differentiation capacity of long-term cultivated HSPC in vitro and in vivo. Transplanted human HSPC migrated actively into the bone marrow of irradiated mice and contributed to the long-term reconstitution of the hematopoietic system after four and eight weeks of in vitro cultivation. The introduced system offers a multitude of possible applications to address a broad spectrum of questions regarding HSPC, the corresponding bone marrow niche biology, and pathological aberrations.

ABSTRACT Current research on metabolic disorders such as type 2 diabetes relies on animal models because multi-organ diseases cannot be well studied with the standard in vitro assays. Here, we connect models of key metabolism organs, pancreas and liver, on a microfluidic chip to enable diabetes research in a human-based preclinical system. Aided by mechanistic mathematical modelling, we developed a two-organ microphysiological system (MPS) that replicates clinically-relevant phenotypes of diabetic dysregulation both in the liver and pancreas compartments. Exposure to hyperglycemia and high cortisone created a diseased pancreas-liver MPS which displayed beta-cell dysfunction, steatosis, elevated ketone-body secretion, increased glycogen storage, and upregulated gluconeogenic machinery. In turn, normoglycemia and physiological cortisone concentration maintained glucose tolerance and stable liver and beta-cell functions. This method was evaluated for repeatability in two laboratories and was effective in multiple pancreatic islet donors. The model also provides a platform to identify new therapeutic targets as demonstrated with a liver-secreted IL-1R2 protein that induced islet proliferation.