Advanced in vitro platforms for predictive assessment of human intestinal drug absorption

Accurate prediction of human intestinal drug absorption remains a major challenge in preclinical drug development, primarily due to the limited physiological relevance of conventional in vitro models. This PhD project aimed to design and develop advanced compartmentalized in vitro platforms to enhance the predictive capability of intestinal drug absorption studies by integrating key physiological determinants of the intestinal microenvironment. Bicompartmental and tricompartmental in vitro models were engineered to address major limitations of conventional Caco-2–based assays, including the lack of epithelial cell-type heterogeneity, the oversimplified tissue architecture, and the absence of controlled oxygen microenvironments. Mechanically tuned hydrogels featuring physiologically relevant stiffness gradients were employed to guide Caco-2 cell polarization and sub-differentiation, yielding permeability profiles that more closely aligned with in vivo observations while providing valuable mechanobiological insights. Tricompartmental platforms enabling epithelium-stroma-endothelium interactions were designed and validated in compliance with regulatory workflows, demonstrating suitability for GMP-compliant investigations, while holding potential to improve physiological relevance compared to conventional Transwell systems. In addition, a Gradient-on-Platform module was developed to reproduce the physiological oxygen gradient across intestinal barrier in vitro models by exploiting cellular oxygen consumption, revealing the critical role of oxygen tension in modulating epithelial barrier function while preserving standard experimental throughput. Overall, this work demonstrates that the rational integration of biomechanical, architectural, and gaseous cues within modular and scalable in vitro platforms holds potential to enhance the physiological relevance and predictive power of intestinal drug absorption models. The proposed in vitro culture devices provide practical and translationally relevant tools for next generation preclinical drug development.

La previsione accurata dell’assorbimento intestinale dei farmaci nell’uomo rappresenta ancora una sfida rilevante nello sviluppo preclinico, soprattutto a causa della limitata rilevanza fisiologica dei modelli in vitro convenzionali. In questo contesto, il presente progetto di dottorato ha avuto come obiettivo la progettazione e lo sviluppo di piattaforme in vitro compartimentalizzate avanzate, volte a migliorare la capacità predittiva degli studi di assorbimento intestinale dei farmaci attraverso l’integrazione di determinanti fisiologici chiave del microambiente intestinale. A questo scopo, sono stati sviluppati modelli in vitro bicompartimentali e tricompartimentali per superare alcune delle principali limitazioni dei saggi convenzionali basati su cellule Caco-2, quali la scarsa eterogeneità dei tipi cellulari epiteliali, l’eccessiva semplificazione dell’architettura tissutale e l’assenza di microambienti a ossigenazione controllata. In particolare, sono stati impiegati idrogeli con proprietà meccaniche modulate e caratterizzati da gradienti di rigidità fisiologicamente rilevanti, al fine di guidare la polarizzazione e la sub-differenziazione delle cellule Caco-2, ottenendo profili di permeabilità più vicini a quelli osservati in vivo e fornendo, al contempo, utili indicazioni meccanobiologiche. Sono state inoltre progettate e validate piattaforme tricompartimentali capaci di ricapitolare le interazioni tra epitelio, stroma ed endotelio secondo workflow compatibili con i requisiti regolatori, dimostrandosi idonee per studi conformi a GMP e mostrando il potenziale di incrementare la rilevanza fisiologica rispetto ai sistemi Transwell convenzionali. Parallelamente, è stato sviluppato un modulo Gradient-on-Platform per riprodurre il gradiente fisiologico di ossigeno nei modelli in vitro della barriera intestinale sfruttando il consumo cellulare di ossigeno. Questo approccio ha evidenziato il ruolo cruciale della tensione di ossigeno nella modulazione della funzione di barriera epiteliale, mantenendo al contempo una produttività sperimentale compatibile con i protocolli standard. Nel complesso, questo lavoro dimostra che l’integrazione razionale di stimoli biomeccanici, architetturali e gassosi in piattaforme in vitro modulari e scalabili può contribuire a migliorare la rilevanza fisiologica e il potere predittivo dei modelli di assorbimento intestinale dei farmaci. I dispositivi di coltura in vitro proposti rappresentano pertanto strumenti pratici e translazionalmente rilevanti per la prossima generazione dello sviluppo preclinico dei farmaci.