Mechanical forces have long been recognized as fundamental drivers in biological processes, such as embryogenesis, tissue formation and disease regulation. The collagen gel contraction (CGC) assay has served as a classic tool in the field of mechanobiology to study cell-induced contraction of extracellular matrix (ECM), which plays an important role in inflammation and wound healing. In a conventional CGC assay, cell-laden collagen is loaded into a cell culture vessel (typically a well plate) and forms a disk-shaped gel adhering to the bottom of the vessel. The decrement in diameter or surface area of the gel is used as a parameter to quantify the degree of cell contractility. In this study, we developed a microscale CGC assay with an engineered well plate insert that uses surface tension forces to load and manipulate small volumes (14 μL) of cell-laden collagen. The system is easily operated with two pipetting steps and the microscale device moves dynamically as a result of cellular forces. We used a straightforward one-dimensional measurement as the gel contraction readout. We adapted a conventional lung fibroblast CGC assay to demonstrate the functionality of the device, observing significantly more gel contraction when human lung fibroblasts were cultured in serum-containing media versus serum-free media (p≤0.01). We further cocultured eosinophils and fibroblasts in the system, two important cellular components that lead to fibrosis in asthma, and observed that soluble factors from eosinophils significantly increase fibroblast-mediated gel contraction (p≤0.01). Our microscale CGC device provides a new method for studying downstream ECM effects of intercellular cross talk using 7-35 fold less cell-laden gel than traditional CGC assays.

Microscale cell-based assays have demonstrated unique capabilities in reproducing important cellular behaviors for diagnostics and basic biological research. As these assays move beyond the prototyping stage and into biological and clinical research environments, there is a need to produce microscale culture platforms more rapidly, cost-effectively, and reproducibly. Rapid injection molding is poised to meet this need as it enables some of the benefits of traditional high volume injection molding at a fraction of the cost. However, rapid injection molding has limitations due to the material and methods used for mold fabrication. Here, we characterize advantages and limitations of rapid injection molding for microfluidic device fabrication through measurement of key features for cell culture applications including channel geometry, feature consistency, floor thickness, and surface polishing. We demonstrate phase contrast and fluorescence imaging of cells grown in rapid injection molded devices and provide design recommendations to successfully utilize rapid injection molding methods for microscale cell-based assay development in academic laboratory settings.

Endothelial cells (ECs) from different human organs possess organ-specific characteristics that support specific tissue regeneration and organ development. EC specificity are identified by both intrinsic and extrinsic cues, among which, parenchyma and organ-specific microenvironment are critical contributors. These extrinsic cues are, however, largely lost during ex vivo cultures. Outstanding challenges remain to understand and re-establish EC organ-specificity for in vitro studies to recapitulate human organ-specific physiology. Here, we designed an open microfluidic platform to study the role of human kidney tubular epithelial cells in supporting EC specificity. The platform consists of two independent cell culture regions segregated with a half wall; culture media is added to connect the two culture regions at a desired timepoint, and signaling molecules can travel across the half wall (paracrine signaling). Specifically, we report that in the microscale coculture device, primary human kidney proximal tubular epithelial cells (HPTECs) rescued primary human kidney peritubular microvascular EC (HKMEC) monolayer integrity and fenestra formation, and HPTECs upregulated key HKMEC kidney-specific genes ( HNF1B , AJAP1 , KCNJ16 ) and endothelial activation genes ( VCAM1 , MMP7 , MMP10 ) in coculture. Co-culturing with HPTECs also promoted kidney-specific genotype expression in human umbilical vein ECs (HUVECs), and human pluripotent stem cell-derived ECs (hPSC-ECs). In comparison to the culture in HPTEC conditioned media, co-culture of ECs with HPTECs showed increased upregulation of kidney specific genes, suggesting potential bidirectional paracrine signaling. Importantly, our device is compatible with standard pipettes, incubators, and imaging readouts, and could also be easily adapted to study cell signaling between other rare or sensitive cells.