Secondary hyperoxaluria (SH) is a multifactorial disorder that extends from inflamed intestinal epithelium with oxalate malabsorption to kidney stone disease; its prevalence is increasing annually. Studying complex SH has been a considerable challenge because of the lack of an in vitro multiorgan model that describes dynamic pathophysiological interactions between the native intestinal epithelium and proximal tubule (PT). An in vitro multiorgan model is developed using a multi-biofabrication technique to address this challenge; this developed microfluidic in vitro multiorgan model demonstrates the enhanced functional interconnection between the intestinal epithelium and a vascularized PT by printing compartmentalized two organs close together. This spatially organized multiorgan model with enhanced fluidic connectivity provides a tool for recapitulating the critical pathophysiological features of SH, which includes intestinal barrier disruption, calcium oxalate (CaOx) crystallization, and crystal-induced PT injuries. The biophysical properties (e.g., glucose reabsorption and tubular fluid flow behavior-dependent CaOx crystal formation) of an in vitro SH model are thoroughly analyzed by comparison with the pathophysiology of human PT. Further, the efficiency of the in vitro 3D model as a drug testing platform is validated by assessing CaOx crystal dissolution on perfusing the device with trisodium citrate and grape seed extract. With no U.S. Food and Drug Administration (FDA)-approved SH therapeutics, this optimized in vitro SH model can be actively utilized as a promising platform for discovering integrative therapeutics to reverse intestinal epithelial inflammation and recurrent kidney stone disease in a single assay.

1.
L. D. S.
Selistre
,
P.
Cochat
,
D. L.
Rech
,
F.
Parant
,
V. C.
Souza
, and
L.
Dubourg
,
J. Bras. Nefrol.
40
(
1
),
73
76
(
2018
).
2.
B.
Bhasin
,
H. M.
Urekli
, and
M. G.
Atta
,
World J. Nephrol.
4
(
2
),
235
244
(
2015
).
3.
T.
Mitchell
,
P.
Kumar
,
T.
Reddy
,
K. D.
Wood
,
J.
Knight
,
D. G.
Assimos
, and
R. P.
Holmes
,
Am. J. Physiol. Renal Physiol.
316
(
3
),
F409
F413
(
2019
).
4.
I. P.
Heilberg
and
N.
Schor
,
Arq. Bras. Endocrinol. Metabol.
50
(
4
),
823
831
(
2006
).
5.
C.
Witting
,
C. B.
Langman
,
D.
Assimos
,
M. A.
Baum
,
A.
Kausz
,
D.
Milliner
,
G.
Tasian
,
E.
Worcester
,
M.
Allain
,
M.
West
,
F.
Knauf
, and
J. C.
Lieske
,
Clin. J. Am. Soc. Nephrol.
16
(
3
),
487
495
(
2021
).
6.
R. P.
Holmes
,
J.
Knight
, and
D. G.
Assimos
,
Urolithiasis
44
(
1
),
27
32
(
2016
).
7.
S. R.
Gaspar
,
T.
Mendonca
,
P.
Oliveira
,
T.
Oliveira
,
J.
Dias
, and
T.
Lopes
,
Urol. Ann.
8
(
3
),
297
304
(
2016
).
8.
T.
Ermer
,
K. U.
Eckardt
,
P. S.
Aronson
, and
F.
Knauf
,
Curr. Opin. Nephrol. Hypertens.
25
(
4
),
363
371
(
2016
).
9.
T.
Alelign
and
B.
Petros
,
Adv. Urol.
2018
,
3068365
.
10.
V. Y.
Bird
and
S. R.
Khan
,
Arch. Esp. Urol.
70
(
1
),
12
27
(
2017
).
11.
D. P.
Basile
,
M. D.
Anderson
, and
T. A.
Sutton
,
Compr. Physiol.
2
(
2
),
1303
1353
(
2012
).
12.
L.
de Araujo
,
J. M.
Costa-Pessoa
,
M. C.
de Ponte
, and
M.
Oliveira-Souza
,
Front. Physiol.
11
,
1076
(
2020
).
13.
B. B.
Tomžič
and
G. H.
Nancollas
,
J. Urol.
128
(
1
),
205
208
(
1982
).
14.
A.
Kletzmayr
,
S. R.
Mulay
,
M.
Motrapu
,
Z.
Luo
,
H. J.
Anders
,
M. E.
Ivarsson
, and
J. C.
Leroux
,
Adv. Sci.
7
(
8
),
1903337
(
2020
).
15.
M.
Shanthil
,
K.
Sandeep
, and
P. K.
Sajith
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
(
8
),
4788
4792
(
2020
).
16.
F.
Ibis
,
T. W.
Yu
,
F. M.
Penha
,
D.
Ganguly
,
M. A.
Nuhu
,
A.
van der Heijden
,
H. J. M.
Kramer
, and
H. B.
Eral
,
Biomicrofluidics
15
(
6
),
064103
(
2021
).
17.
G.
Laffite
,
C.
Leroy
,
C.
Bonhomme
,
L.
Bonhomme-Coury
,
E.
Letavernier
,
M.
Daudon
,
V.
Frochot
,
J. P.
Haymann
,
S.
Rouziere
,
I. T.
Lucas
,
D.
Bazin
,
F.
Babonneau
, and
A.
Abou-Hassan
,
Lab Chip
16
(
7
),
1157
1160
(
2016
).
18.
Z.
Wei
,
P. K.
Amponsah
,
M.
Al-Shatti
,
Z.
Nie
, and
B. C.
Bandyopadhyay
,
Lab Chip
12
(
20
),
4037
4040
(
2012
).
19.
A.
Pfau
,
D.
Grujic
,
M. T.
Keddis
,
A. T.
Kausz
,
J. C.
Lieske
, and
F.
Knauf
,
Nephrol., Dial., Transplant.
36
(
5
),
945
948
(
2021
).
20.
N. K.
Singh
,
W.
Han
,
S. A.
Nam
,
J. W.
Kim
,
J. Y.
Kim
,
Y. K.
Kim
, and
D. W.
Cho
,
Biomaterials
232
,
119734
(
2020
).
21.
B. S.
Kim
,
S.
Das
,
J.
Jang
, and
D. W.
Cho
,
Chem. Rev.
120
(
19
),
10608
10661
(
2020
).
22.
A.
Herland
,
B. M.
Maoz
,
D.
Das
,
M. R.
Somayaji
,
R.
Prantil-Baun
,
R.
Novak
,
M.
Cronce
,
T.
Huffstater
,
S. S. F.
Jeanty
,
M.
Ingram
,
A.
Chalkiadaki
,
D. B.
Chou
,
S.
Marquez
,
A.
Delahanty
,
S.
Jalili-Firoozinezhad
,
Y.
Milton
,
A.
Sontheimer-Phelps
,
B.
Swenor
,
O.
Levy
,
K. K.
Parker
,
A.
Przekwas
, and
D. E.
Ingber
,
Nat. Biomed. Eng.
4
(
4
),
421
436
(
2020
).
23.
H.
Kim
,
B.
Kang
,
X.
Cui
,
S. H.
Lee
,
K.
Lee
,
D. W.
Cho
,
W.
Hwang
,
T. B. F.
Woodfield
,
K. S.
Lim
, and
J.
Jang
,
Adv. Funct. Mater.
31
(
32
),
2011252
(
2021
).
24.
M. B.
Burg
and
J.
Orloff
,
J. Clin. Invest.
47
(
9
),
2016
2024
(
1968
).
25.
E. H. J.
Verschuren
,
C.
Castenmiller
,
D. J. M.
Peters
,
F. J.
Arjona
,
R. J. M.
Bindels
, and
J. G. J.
Hoenderop
,
Nat. Rev. Nephrol.
16
(
6
),
337
351
(
2020
).
26.
V.
Vallon
,
K. A.
Platt
,
R.
Cunard
,
J.
Schroth
,
J.
Whaley
,
S. C.
Thomson
,
H.
Koepsell
, and
T.
Rieg
,
J. Am. Soc. Nephrol.
22
(
1
),
104
112
(
2011
).
27.
D. G.
Shirley
and
S. J.
Walter
,
Kidney Int.
40
(
1
),
62
68
(
1991
).
28.
M.
Bargagli
,
M.
Arena
,
A.
Naticchia
,
G.
Gambaro
,
S.
Mazzaferro
,
D.
Fuster
, and
P. M.
Ferraro
,
Nutrients
13
,
2328
(
2021
).
29.
K. V.
Lemley
and
W.
Kriz
,
Kidney Int.
39
(
3
),
370
381
(
1991
).
30.
G.
Gao
,
W.
Park
,
B. S.
Kim
,
M.
Ahn
,
S.
Chae
,
W. W.
Cho
,
J.
Kim
,
J. Y.
Lee
,
J.
Jang
, and
D. W.
Cho
,
Adv. Funct. Mater.
31
(
10
),
2008878
(
2020
).
31.
M.
Kugai
,
K.
Uchiyama
,
T.
Tsuji
,
H.
Yoriki
,
A.
Fukui
,
Y.
Qin
,
Y.
Higashimura
,
K.
Mizushima
,
N.
Yoshida
,
K.
Katada
,
K.
Kamada
,
O.
Handa
,
T.
Takagi
,
H.
Konishi
,
N.
Yagi
,
T.
Yoshikawa
,
Y.
Shirasaka
,
I.
Tamai
,
Y.
Naito
, and
Y.
Itoh
,
Cell Physiol. Biochem.
32
(
4
),
942
950
(
2013
).
32.
D.
Cosme
,
M. M.
Estevinho
,
F.
Rieder
, and
F.
Magro
,
Am. J. Physiol.: Cell Physiol.
320
(
4
),
C520
C546
(
2021
).
33.
P. V.
Roder
,
K. E.
Geillinger
,
T. S.
Zietek
,
B.
Thorens
,
H.
Koepsell
, and
H.
Daniel
,
PLoS One
9
(
2
),
e89977
(
2014
).
34.
Y.
Liu
,
X.
Jin
,
Y.
Ma
,
Z.
Jian
,
Z.
Wei
,
L.
Xiang
,
Q.
Sun
,
S.
Qi
,
K.
Wang
, and
H.
Li
,
mSystems
6
(
6
),
e0104521
(
2021
).
35.
A. G.
Clark
and
E.
Paluch
,
Results Probl. Cell Differ.
53
,
31
73
(
2011
).
36.
S.
Dey
,
J.
Patel
,
B. S.
Anand
,
B.
Jain-Vakkalagadda
,
P.
Kaliki
,
D.
Pal
,
V.
Ganapathy
, and
A. K.
Mitra
,
Invest. Ophthalmol. Vis. Sci.
44
(
7
),
2909
2918
(
2003
).
37.
T.
Suzuki
,
K.
Fujikura
,
H.
Koyama
,
T.
Matsuzaki
,
Y.
Takahashi
, and
K.
Takata
,
Eur. J. Cell Biol.
80
(
12
),
765
774
(
2001
).
38.
S. V.
Nikulin
,
E. N.
Knyazev
,
A. A.
Poloznikov
,
S. A.
Shilin
,
IN.
Gazizov
,
G. S.
Zakharova
, and
T. N.
Gerasimenko
,
Mol. Biol.
52
(
4
),
577
582
(
2018
).
39.
C. P.
Kulkarni
,
J. M.
Thevelein
, and
W.
Luyten
,
Eur. J. Pharmacol.
897
,
173925
(
2021
).
40.
M.
Hara-Chikuma
and
A. S.
Verkman
,
J Am. Soc. Nephrol.
17
(
1
),
39
45
(
2006
).
41.
X.
Wang
,
I.
Armando
,
K.
Upadhyay
,
A.
Pascua
, and
P. A.
Jose
,
Curr. Opin. Nephrol. Hypertens.
18
(
5
),
412
420
(
2009
).
42.
Y.
Duan
,
N.
Gotoh
,
Q.
Yan
,
Z.
Du
,
A. M.
Weinstein
,
T.
Wang
, and
S.
Weinbaum
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
(
32
),
11418
11423
(
2008
).
43.
R.
Green
,
R. J.
Moriarty
, and
G.
Giebisch
,
Kidney Int.
20
(
5
),
580
587
(
1981
).
44.
G.
Ligresti
,
R. J.
Nagao
,
J.
Xue
,
Y. J.
Choi
,
J.
Xu
,
S.
Ren
,
T.
Aburatani
,
S. K.
Anderson
,
J. W.
MacDonald
,
T. K.
Bammler
,
S. M.
Schwartz
,
K. A.
Muczynski
,
J. S.
Duffield
,
J.
Himmelfarb
, and
Y.
Zheng
,
J. Am. Soc. Nephrol.
27
(
8
),
2370
2381
(
2016
).
45.
Y.
Zhang
,
C. D.
Kontos
,
B. H.
Annex
, and
A. S.
Popel
,
iScience
20
,
497
511
(
2019
).
46.
N.
Zhang
,
C. W.
Lo
,
T.
Utsunomiya
,
M.
Maruyama
,
E.
Huang
,
C.
Rhee
,
Q.
Gao
,
Z.
Yao
, and
S. B.
Goodman
,
Stem Cell Res. Ther.
12
(
1
),
40
(
2021
).
47.
C.
Dai
,
Q.
Gong
,
Y.
Cheng
, and
G.
Su
,
Biosci. Rep.
39
(
7
),
BSR20190513
(
2019
).
48.
Z.
Wang
and
X.
Yan
,
Cancer Lett.
330
(
2
),
150
162
(
2013
).
49.
A.
Cochrane
,
H. J.
Albers
,
R.
Passier
,
C. L.
Mummery
,
A.
van den Berg
,
V. V.
Orlova
, and
A. D.
van der Meer
,
Adv. Drug Delivery Rev.
140
,
68
77
(
2019
).
50.
Y. J.
Lee
,
Y. J.
Lee
, and
H. J.
Han
,
Kidney Int. Suppl.
72
(
106
),
S27
35
(
2007
).
51.
J.
Gburek
,
B.
Konopska
, and
K.
Golab
,
Int. J. Mol. Sci.
22
(
11
),
5809
(
2021
).
52.
J. A.
Schafer
,
Kidney Int. Suppl.
66
(
91
),
S20
27
(
2004
).
53.
M.
Vancamelbeke
and
S.
Vermeire
,
Expert Rev. Gastroenterol. Hepatol.
11
(
9
),
821
834
(
2017
).
54.
M.
Daudon
,
Nephrol Ther.
11
(
3
),
174
190
(
2015
).
55.
S.
Chaiyarit
,
S.
Mungdee
, and
V.
Thongboonkerd
,
Anal. Methods
2
(
10
),
1536
1541
(
2010
).
56.
V. O.
Edvardsson
,
D. S.
Goldfarb
,
J. C.
Lieske
,
L.
Beara-Lasic
,
F.
Anglani
,
D. S.
Milliner
, and
R.
Palsson
,
Pediatr. Nephrol.
28
(
10
),
1923
1942
(
2013
).
57.
M. E.
Fallon
and
M. T.
Hinds
,
Biochem. Biophys. Res. Commun.
555
,
160
167
(
2021
).
58.
W.
Shin
and
H. J.
Kim
,
Nat. Protoc.
17
(
3
),
910
939
(
2022
).
59.
B. A.
Inman
,
W.
Etienne
,
R.
Rubin
,
R. A.
Owusu
,
T. R.
Oliveira
,
D. B.
Rodriques
,
P. F.
Maccarini
,
P. R.
Stauffer
,
A.
Mashal
, and
M. W.
Dewhirst
,
Int. J. Hyperthermia
29
(
3
),
206
210
(
2013
).
60.
R. R.
Poudel
,
Indian J. Endocrinol. Metab.
17
(
4
),
588
593
(
2013
).
61.
A.
Osaki
,
S.
Okada
,
T.
Saito
,
E.
Yamada
,
K.
Ono
,
Y.
Niijima
,
H.
Hoshi
, and
M.
Yamada
,
J. Diabetes Invest.
7
(
5
),
751
754
(
2016
).
62.
A. C.
Group
,
A.
Patel
,
S.
MacMahon
,
J.
Chalmers
,
B.
Neal
,
L.
Billot
,
M.
Woodward
,
M.
Marre
,
M.
Cooper
,
P.
Glasziou
,
D.
Grobbee
,
P.
Hamet
,
S.
Harrap
,
S.
Heller
,
L.
Liu
,
G.
Mancia
,
C. E.
Mogensen
,
C.
Pan
,
N.
Poulter
,
A.
Rodgers
,
B.
Williams
,
S.
Bompoint
,
B. E.
de Galan
,
R.
Joshi
, and
F.
Travert
,
N. Engl. J. Med.
358
(
24
),
2560
2572
(
2008
).
63.
T. K.
Han
,
W. R.
Proctor
,
C. L.
Costales
,
H.
Cai
,
R. S.
Everett
, and
D. R.
Thakker
,
J. Pharmacol. Exp. Ther.
352
(
3
),
519
528
(
2015
).
64.
N. Y. C.
Lin
,
K. A.
Homan
,
S. S.
Robinson
,
D. B.
Kolesky
,
N.
Duarte
,
A.
Moisan
, and
J. A.
Lewis
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
116
(
12
),
5399
5404
(
2019
).
65.
M. A.
Karagoz
,
I. B.
Erihan
,
O. G.
Doluoglu
,
C.
Ugurlu
,
M.
Bagcioglu
,
M.
Uslu
, and
K.
Sarica
,
Cent. Eur. J. Urol.
73
(
1
),
49
54
(
2020
).
66.
M. S.
Ormanji
,
F. G.
Rodrigues
, and
I. P.
Heilberg
,
Nutrients
12
(
5
),
1442
(
2020
).
67.
J.
Fan
,
P. O.
Schwille
,
A.
Schmiedl
,
E.
Fink
, and
M.
Manoharan
,
Arzneimittelforschung
51
(
10
),
848
857
(
2001
).
68.
R.
Atreya
and
M. F.
Neurath
,
Clin. Rev. Allergy Immunol.
28
(
3
),
187
196
(
2005
).
69.
P. K.
Grover
and
R. L.
Ryall
,
Eur. J. Biochem.
263
(
1
),
50
56
(
1999
).
70.
S. J.
O'Kennedy
,
L. D.
van Zijl
,
C.
van Rooyen
,
L.
Bertossi
,
T. B.
Shekede
,
J.
Joos-Vandewalle
,
S.
Smith
, and
A.
Turton
,
Cryst. Growth Des.
21
(
2
),
1249
1258
(
2021
).
71.
J.
Orehek
,
D.
Teslić
, and
B.
Likozar
,
Org. Process Res. Develop.
25
(
1
),
16
42
(
2021
).
72.
S.
Shin
,
C. L.
Ibeh
,
E.
Awuah Boadi
,
B. E.
Choi
,
S. K.
Roy
, and
B. C.
Bandyopadhyay
,
Genes Dis.
9
(
2
),
531
548
(
2022
).
73.
V.
Vallon
and
S. C.
Thomson
,
Diabetologia
60
(
2
),
215
225
(
2017
).
74.
75.
Y. F.
Shang
,
M.
Xu
,
G. N.
Zhang
, and
J. M.
Ouyang
,
Bioinorg. Chem. Appl.
2013
,
637617
.
76.
E.
Fjellstedt
,
T.
Denneberg
,
J. O.
Jeppsson
, and
H. G.
Tiselius
,
Urol. Res.
29
(
5
),
295
302
(
2001
).
77.
E.
Hopkins
,
T.
Sanvictores
, and
S.
Sharma
,
Physiology, Acid Base Balance
(
StatPearls
,
2022
).
78.
F.
Grases
,
R. M.
Prieto
,
R. A.
Fernandez-Cabot
,
A.
Costa-Bauza
,
F.
Tur
, and
J. J.
Torres
,
Oxid. Med. Cell. Longevity
2015
,
813737
.
79.
S.
Ahmed
,
M. M.
Hasan
,
H.
Khan
,
Z. A.
Mahmood
, and
S.
Patel
,
Biomed. Pharmacother.
106
,
1292
1299
(
2018
).
80.
S.
Robijn
,
B.
Hoppe
,
B. A.
Vervaet
,
P. C.
D'Haese
, and
A.
Verhulst
,
Kidney Int.
80
(
11
),
1146
1158
(
2011
).
81.
L. A.
Cullen-McEwen
,
R. N.
Douglas-Denton
, and
J. F.
Bertram
,
Methods Mol. Biol.
886
,
333
350
(
2012
).
82.
E. J.
Weber
,
A.
Chapron
,
B. D.
Chapron
,
J. L.
Voellinger
,
K. A.
Lidberg
,
C. K.
Yeung
,
Z.
Wang
,
Y.
Yamaura
,
D. W.
Hailey
,
T.
Neumann
,
D. D.
Shen
,
K. E.
Thummel
,
K. A.
Muczynski
,
J.
Himmelfarb
, and
E. J.
Kelly
,
Kidney Int.
90
(
3
),
627
637
(
2016
).
83.
E.
Amabebe
and
D. O. C.
Anumba
,
Front. Immunol.
11
,
2184
(
2020
).
84.
V.
Tran
,
R. M.
Shammas
,
J. S.
Sauk
, and
D.
Padua
,
Clin. Exp. Gastroenterol.
12
,
179
191
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.