Microphysiological systems (MPSs) are in vitro models that capture facets of in vivo organ function through use of specialized culture microenvironments, including 3D matrices and microperfusion. Here, we report an approach to co-culture multiple different MPSs linked together physiologically on re-useable, open-system microfluidic platforms that are compatible with the quantitative study of a range of compounds, including lipophilic drugs. We describe three different platform designs - "4-way", "7-way", and "10-way" - each accommodating a mixing chamber and up to 4, 7, or 10 MPSs. Platforms accommodate multiple different MPS flow configurations, each with internal re-circulation to enhance molecular exchange, and feature on-board pneumatically-driven pumps with independently programmable flow rates to provide precise control over both intra- and inter-MPS flow partitioning and drug distribution. We first developed a 4-MPS system, showing accurate prediction of secreted liver protein distribution and 2-week maintenance of phenotypic markers. We then developed 7-MPS and 10-MPS platforms, demonstrating reliable, robust operation and maintenance of MPS phenotypic function for 3 weeks (7-way) and 4 weeks (10-way) of continuous interaction, as well as PK analysis of diclofenac metabolism. This study illustrates several generalizable design and operational principles for implementing multi-MPS "physiome-on-a-chip" approaches in drug discovery.

Abstract A crucial step in lead selection during drug development is accurate estimation and optimization of hepatic clearance using in vitro methods. However, current methods are limited by factors such as lack of physiological relevance, short culture/incubation times that are not consistent with drug exposure patterns in patients, use of drug absorbing materials, and evaporation during long-term incubation. To address these technological needs, we developed a novel milli-fluidic human liver tissue chip (LTC) that was designed with continuous media recirculation and optimized for hepatic cultures using human primary hepatocytes. Here, we characterized the LTC using a series of physiologically relevant metrics and test compounds to demonstrate that we could accurately predict the PK of both low and high clearance compounds. The non-biological characterization indicated that the cyclic olefin copolymer (COC)-based LTC exhibited negligible evaporation and minimal non-specific binding of drugs of varying ionic states and lipophilicity. Biologically, the LTC exhibited functional and polarized hepatic culture with sustained metabolic CYP activity for at least 15 days. This long-term culture was then used for drug clearance studies for low and high-clearance compounds for at least 12 days and clearance was estimated for a range of compounds with high in vitro in vivo correlation (IVIVC). We also demonstrated that LTC can be induced by rifampicin, and the culture age had insignificant effect on depletion kinetic and predicted clearance value. Thus, we used advances in bioengineering to develop a novel purpose-built platform with high reproducibility and minimal variability to address unmet needs for PK applications.