Development of a Neurovascular Microfluidic Model with an Endothelial Barrier-Integrity Sensor for Pharmaceutical Innovation in Neurodegenerative Diseases

Abstract

[eng] Neurodegenerative diseases represent a significant health challenge, as no cure is currently available. The unique anatomy of the blood-brain barrier, which limits drug delivery to the brain, as well as the lack of predictive pre-clinical models, contribute to delays in the drug discovery process. This research presents the development of two distinct 3D models aimed at advancing pharmaceutical innovation for neurodegenerative diseases. We designed a blood-brain barrier-on-a-chip device that incorporates trans-endothelial electrical resistance electrodes for real-time assessment of barrier integrity. The 3D microfluidic design involves the co-culture of brain endothelial cells, pericytes, and astrocytes, before being fully characterized to verify the proper development of the blood-brain barrier. The developed platform was then utilized to evaluate the permeability and toxicity of novel nanotherapeutic agents for neurodegenerative diseases. Furthermore, a more advanced in vitro model for drug discovery of neurodegenerative diseases was assembled. This model incorporated human induced-neurons along with other cell types to create a neurovascular-unit in vitro. Specifically, we co-cultured human induced neurons with oligodendrocytes, astrocytes, pericytes, and endothelial cells within a microfluidic device. Finally, we monitored the release of neurofilament light, a potential biomarker of neuronal degeneration, in response to exposure to two different neurotoxic agents. Quantifying neurofilament light release enables assessment of neurodegenerative progression and evaluation of potential therapeutic interventions to mitigate disease advancement. The blood-brain barrier-on-a-chip and neurovascular-unit-on-a-chip models represent a versatile and scalable platform that offers a cost-effective, human-relevant alternative to traditional animal models. These platforms facilitate drug screening and accelerate the discovery of treatments for neurodegenerative diseases.

[spa] Las enfermedades neurodegenerativas representan un desafío de salud significativo, ya que actualmente no existe cura. La anatomía única de la barrera hematoencefálica, la cual limita la administración de fármacos al cerebro, así como la falta de modelos preclínicos predictivos, contribuyen al retraso en el proceso de descubrimiento de fármacos. Esta investigación presenta el desarrollo de dos modelos 3D destinados a avanzar en la innovación farmacéutica para las enfermedades neurodegenerativas. Diseñamos un dispositivo de barrera hematoencefálica-en-chip con la incorporación de electrodos que permiten medir la resistencia eléctrica trans-endotelial en tiempo real, y así evaluar la integridad de la barrera. El sistema microfluídico consiste en el cultivo de células endoteliales cerebrales, pericitos y astrocitos, el cual fue caracterizado por múltiples técnicas para verificar el correcto desarrollo de la barrera hematoencefálica. La plataforma desarrollada se utilizó para evaluar la permeabilidad y la toxicidad de nuevos agentes nano- terapéuticos útiles para su aplicación en enfermedades neurodegenerativas. Asimismo, se desarrolló un modelo más avanzado para el descubrimiento de fármacos contra las enfermedades neurodegenerativas. Este modelo incorporó neuronas humanas junto con otros tipos de células para recrear la unidad neurovascular del cerebro. Específicamente, neuronas inducidas humanas con oligodendrocitos, astrocitos, pericitos y células endoteliales fueron cultivadas dentro de un dispositivo microfluídico. Finalmente, monitoreamos la liberación de neurofilamento de cadena ligera, potencial biomarcador de neurodegeneración, en respuesta a la exposición a dos agentes farmacológicos. La cuantificación de la liberación de neurofilamento de cadena ligera en el modelo permite evaluar la progresión de la neurodegeneración, así como también evaluar posibles intervenciones terapéuticas para mitigar el avance de la enfermedad.

Los modelos de hematoencefálica-en-chip y de unidad neurovascular-en-chip representan una plataforma versátil y escalable que ofrece una alternativa rentable y relevante a los modelos animales tradicionales. Estas plataformas facilitan el cribado de fármacos y aceleran el descubrimiento de tratamientos para las enfermedades neurodegenerativas.

[cat] Les malalties neurodegeneratives representen un desafiament de salut significatiu, ja que actualment no existeix cura. L'anatomia única de la barrera hematoencefàlica, la qual limita l'administració de fàrmacs al cervell, així com la falta de models preclínics predictius, contribueixen al retard en el procés de descobriment de fàrmacs. Aquesta recerca presenta el desenvolupament de dos models 3D destinats a avançar en la innovació farmacèutica per a les malalties neurodegeneratives. Dissenyem un dispositiu de barrera hematoencefàlica-en-xip amb la incorporació d'elèctrodes que permeten mesurar la resistència elèctrica trans-endotelial en temps real, i així avaluar la integritat de la barrera. El sistema microfluídic consisteix en el cultiu de cèl·lules endotelials cerebrals, pericitos i astròcits, el qual va ser caracteritzat per múltiples tècniques per a verificar el correcte desenvolupament de la barrera hematoencefàlica. La plataforma desenvolupada es va utilitzar per a avaluar la permeabilitat i la toxicitat de nous agents nano-terapèutics útils per a la seva aplicació en malalties neurodegeneratives. Així mateix, es va desenvolupar un model més avançat per al descobriment de fàrmacs contra les malalties neurodegeneratives. Aquest model va incorporar neurones humanes juntament amb altres tipus de cèl·lules per a recrear la unitat neurovascular del cervell. Específicament, neurones induïdes humanes amb oligodendròcits, astròcits, pericitos i cèl·lules endotelials van ser conreades dins d'un dispositiu microfluídic. Finalment, monitorem l'alliberament de neurofilament de cadena lleugera, potencial biomarcador de neurodegeneración, en resposta a l'exposició a dos agents farmacològics. La quantificació de l'alliberament de neurofilament de cadena lleugera en el model permet avaluar la progressió de la neurodegeneración, així com també avaluar possibles intervencions terapèutiques per a mitigar l'avanç de la malaltia. Els models d'hematoencefàlica-en-xip i d'unitat neurovascular-en-xip representen una plataforma versàtil i escalable que ofereix una alternativa rendible i rellevant als models animals tradicionals. Aquestes plataformes faciliten el cribratge de fàrmacs i acceleren el descobriment de tractaments per a les malalties neurodegeneratives.