Otimização de Bone-on-a-Chip: um modelo preliminar para estudos in vitro de remodelamento ósseo

Abstract

A tecnologia Organ-on-a-Chip (OoC) utiliza dispositivos microfluídicos para cultivar células e possibilitar modelos dinâmicos capazes mimetizar o microambiente celular, bem como as funções teciduais e órgãos em condições biológicas controladas. Essa abordagem avança à medida que consideramos a necessidade de conhecer o comportamento de células animais vivas, contribuindo para compreensão das bases celulares e bioquímicas de doenças. Os chips microfluídicos perfazem a dinâmica de fluidos e permitem um manejo controlado dos modelos biológicos, os quais são produzidos por diversas técnicas de biofabricação, como impressão 3D. Esses modelos podem variar desde câmaras únicas perfundidas com uma única célula até estruturas complexas com microcanais interligados e membranas porosas entre diferentes tipos celulares. Dispositivos assim mimetizam interfaces e recapitulam funções teciduais permitindo avaliar expressão proteica, resposta a drogas e migração celular. A tecnologia OoC é uma alternativa ética e eficiente para reduzir, refinar e substituir o uso de animais em experimentos laboratoriais e já vem sendo amplamente explorado nas indústrias farmacêutica e biotecnológica, garantindo aplicação tecnológica e inovadora em abordagens para o desenvolvimento de novas drogas e avaliação de biossegurança. Especificamente, apesar de avanços na área, o estudo de biologia do osso em chips e circuitos de microfluídica ainda é pouco explorada. Essa abordagem busca mimetizar o tecido ósseo e seu remodelamento, mimetizando fatores fisiológicos como fluxo sanguíneo e carga mecânica. A criação de um Bone-on-a-Chip (BoC) envolve o desenvolvimento crítico de impressão 3D, além de análises exaustivas de simulação prática através de ferramentas in silico. Assim, nosso objetivo foi desenvolver um BoC capaz de mimetizar o microambiente ósseo, buscando oferecê-lo como alternativa na busca da compreensão da biologia do tecido, bem como testes de novas drogas desenvolvidas para desordens ósseas. A manufatura de um BoC começa a partir da decisão dos melhores parâmetros para a abordagem, definindo geometria, tamanho e capacidade volumétrica de forma que seu funcionamento seja o mais otimizado. Ainda, verificando o prévio funcionamento do chip, são feitas análises utilizando a técnica de Fluido Dinâmica Computacional (CFD), contribuindo para o entendimento da construção do modelo e o comportamento do fluido. Com isso, é possível fabricar o molde através de impressão 3D e a montagem do dispositivo utilizando o polidimetilsiloxano (PDMS). Com o chip microfluídico fabricado, foram feitos testes para análise de tempo de evaporação de fluido e por fim o cultivo celular. Baseado em um dispositivo feito pelo próprio grupo, recriamos o chip a fim de aperfeiçoar o dispositivo. O chip de geometria circular (protótipo) passou pela análise de CFD e pelo cultivo celular, revelando alguns problemas e algumas incompatibilidades com os métodos de cultivo celular utilizados, então, a partir deste, foi recriado um novo dispositivo, de geometria hexagonal, que mostrou boa performance nos testes de CFD e cultivo celular, mostrando-se apto para o emprego de novos experimentos e estudos.

The Organ-on-a-Chip (OoC) technology employs microfluidic devices to culture cells, enabling dynamic models capable of mimicking the cellular microenvironment, as well as tissue and organ functions under controlled biological conditions. This approach advances as we acknowledge the necessity of understanding the behavior of living animal cells, contributing to the comprehension of cellular and biochemical bases of diseases. Microfluidic chips facilitate fluid dynamics and allow controlled management of biological models, which are produced using various biofabrication techniques, such as 3D printing. These models can range from single chambers perfused with a single cell to complex structures with interconnected microchannels and porous membranes between different cell types. Such devices mimic interfaces and recapitulate tissue functions, enabling the evaluation of protein expression, drug response, and cell migration. OoC technology represents an ethical and efficient alternative to reduce, refine, and replace the use of animals in laboratory experiments and has been widely explored in pharmaceutical and biotechnological industries, ensuring technological and innovative applications in drug development and biosafety assessment. Specifically, despite advancements in the field, the study of bone biology on chips and microfluidic circuits remains underexplored. This approach aims to mimic bone tissue and its remodeling by replicating physiological factors such as blood flow and mechanical loading. The development of a Bone-on-a-Chip (BoC) involves critical advancements in 3D printing, as well as exhaustive practical simulations through in silico tools. Thus, our objective here was to develop a BoC capable of mimicking the bone microenvironment, offering it as an alternative to advance the understanding of bone tissue biology and testing new drugs developed for bone disorders. The manufacturing of a BoC begins with determining the optimal parameters for the approach, defining geometry, size, and volumetric capacity to ensure the device's optimized functionality. Additionally, prior to finalizing the chip's functionality, Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses are conducted, contributing to understanding the model's construction and fluid behavior. Following these steps, a mold is created through 3D printing, and the device is assembled using polydimethylsiloxane (PDMS). Once the microfluidic chip was completed, tests were performed to analyze fluid evaporation times and, finally, cell culture. Based on a device previously developed by our group, we recreated the chip to enhance its performance. The prototype, featuring circular geometry, underwent CFD analysis and cell culture tests, revealing certain issues and incompatibilities with the cell culture methods employed. Consequently, a new device with a hexagonal geometry was developed, demonstrating good performance in CFD and cell culture tests. This new design proved suitable for further experiments and studies.