Abstract Here we describe a method for fabricating a primary human Small Intestine-on-a-Chip (Intestine Chip) containing epithelial cells isolated from healthy regions of intestinal biopsies. The primary epithelial cells are expanded as 3D organoids, dissociated, and cultured on a porous membrane within a microfluidic device with human intestinal microvascular endothelium cultured in a parallel microchannel under flow and cyclic deformation. In the Intestine Chip, the epithelium forms villi-like projections lined by polarized epithelial cells that undergo multi-lineage differentiation similar to that of intestinal organoids, however, these cells expose their apical surfaces to an open lumen and interface with endothelium. Transcriptomic analysis also indicates that the Intestine Chip more closely mimics whole human duodenum in vivo when compared to the duodenal organoids used to create the chips. Because fluids flowing through the lumen of the Intestine Chip can be collected continuously, sequential analysis of fluid samples can be used to quantify nutrient digestion, mucus secretion and establishment of intestinal barrier function over a period of multiple days in vitro . The Intestine Chip therefore may be useful as a research tool for applications where normal intestinal function is crucial, including studies of metabolism, nutrition, infection, and drug pharmacokinetics, as well as personalized medicine.

The diverse bacterial populations that comprise the commensal microbiome of the human intestine play a central role in health and disease. A method that sustains complex microbial communities in direct contact with living human intestinal cells and their overlying mucus layer in vitro would thus enable the investigation of host-microbiome interactions. Here, we show the extended coculture of living human intestinal epithelium with stable communities of aerobic and anaerobic human gut microbiota, using a microfluidic intestine-on-a-chip that permits the control and real-time assessment of physiologically relevant oxygen gradients. When compared to aerobic coculture conditions, the establishment of a transluminal hypoxia gradient in the chip increased intestinal barrier function and sustained a physiologically relevant level of microbial diversity, consisting of over 200 unique operational taxonomic units from 11 different genera and an abundance of obligate anaerobic bacteria, with ratios of Firmicutes and Bacteroidetes similar to those observed in human faeces. The intestine-on-a-chip may serve as a discovery tool for the development of microbiome-related therapeutics, probiotics and nutraceuticals.

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.