On-chip recapitulation of clinical bone marrow toxicities and patient-specific pathophysiology

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作者
David B. Chou,Viktoras Frismantas,Yuka Milton,Rhiannon David,Petar Pop-Damkov,Douglas Ferguson,Alexander MacDonald,Özge Vargel Bölükbaşı,Cailin E. Joyce,Liliana Moreira Teixeira,Arianna Rech,Amanda Jiang,Elizabeth Calamari,Sasan Jalili‐Firoozinezhad,Brooke A. Furlong,Lucy R. O’Sullivan,Carlos F. Ng,Youngjae Choe,Susan Marquez,Kasiani C. Myers
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Springer Nature]
卷期号:4 (4): 394-406 被引量:271
标识
DOI:10.1038/s41551-019-0495-z
摘要

The inaccessibility of living bone marrow (BM) hampers the study of its pathophysiology under myelotoxic stress induced by drugs, radiation or genetic mutations. Here, we show that a vascularized human BM-on-a-chip (BM chip) supports the differentiation and maturation of multiple blood cell lineages over 4 weeks while improving CD34+ cell maintenance, and that it recapitulates aspects of BM injury, including myeloerythroid toxicity after clinically relevant exposures to chemotherapeutic drugs and ionizing radiation, as well as BM recovery after drug-induced myelosuppression. The chip comprises a fluidic channel filled with a fibrin gel in which CD34+ cells and BM-derived stromal cells are co-cultured, a parallel channel lined by human vascular endothelium and perfused with culture medium, and a porous membrane separating the two channels. We also show that BM chips containing cells from patients with the rare genetic disorder Shwachman-Diamond syndrome reproduced key haematopoietic defects and led to the discovery of a neutrophil maturation abnormality. As an in vitro model of haematopoietic dysfunction, the BM chip may serve as a human-specific alternative to animal testing for the study of BM pathophysiology.
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