ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
27-lug-2017
2016/2017
Il processo metastatico è considerato la principale causa di morte per le donne affette da tumore al seno. È stato riconosciuto che il diffondersi delle metastasi è un processo altamente variabile e difficile da controllare, rendendo le terapie antitumorali convenzionali altamente inefficaci.
La cascata metastatica è un processo molto complesso che coinvolge un elevato numero di interazioni inter e intracellulari tra le cellule tumorali e il micro ambiente tumorale.
Il processo metastatico è caratterizzato in primis dalla formazione di nuovi vasi (angiogenesi) nell’intorno del sito primario, successivamente, l’accesso verso il sistema circolatorio dell’ospite (intravasazione), e, infine, l’ancoraggio e penetrazione delle cellule tumorali nelle pareti dei capillari sanguigni (extravasazione), con conseguente colonizzazione di un nuovo sito (colonizzazione).
In letteratura, sono stati sviluppati diversi modelli in vivo e in vitro per caratterizzare in modo più approfondito il fenomeno di extravasazione. I modelli in vivo sono in grado di restituire informazioni riguardo l’interazione di cellule del cancro con un ambiente tumorale molto più complesso e fisiologicamente rilevante, ma allo stesso tempo non sono in grado di darci informazioni tempo reale del fenomeno e si scontrano con la variabilità uomo/animale. Per questo motivo, molti modelli in vitro sono stati progettati per generare un ambiente più controllato e per permettere analisi di diversi fattori. Questi modelli sono in grado di ricreare un ambiente tridimensionale con l’aggiunta di matrice extracellulare (collagene, laminina o fibrina) dove le cellule sono seminate e, talvolta, in cocultura con altre cellule stromali. Entrando nello specifico del processo di extravasazione, molti modelli microfluidici sono stati ideati per studiare l’interazione fra cellule endoteliali come le cellule endoteliali della vena ombelicale o cellule endoteliali dermali microvascolari (in inglese Human Umbelical Endothelial Cells, HUVECs e Human Dermal Microvascular Endothelial Cells, HDMVECs), che simulano le pareti di capillari e cellule tumorali. Le cellule endoteliali assumono una configurazione a monostrato o a foglietto, per ricreare una barriera altamente efficace e altamente interconnessa. Tuttavia, questi sistemi non sono in grado di ricreare un sistema finemente interconnesso di capillari, come si presenta nel nostro organismo, perdendo in rilevanza fisio-patologica.
Questa tesi si occupa della realizzazione di un dispositivo microfluidico in cui le cellule HUVEC possono assemblarsi in un reticolo microvascolare in una matrice extracellulare di fibrina, aiutate dell’effetto stabilizzante dei fibroblasti umani del polmone (in inglese Normal Human Lung Fibroblast, NHLF) in una configurazione di coltura non contatto. Questo è finalizzato allo scopo dello studio del processo di extravasazione valutato a 6 ore dall’iniezione di cellule altamente metastatiche del tumore al seno (MDA-MB-231), per comprendere l’interazione che intercorre fra le pareti dei capillari e le cellule tumorali. Infine, in questa tesi si confrontano i valori di extravasazione in condizioni di ipossia e normossia a 6 ore dall’iniezione delle cellule tumorali, e l’effetto che l’ipossia ha sulla maturazione dei microvasi a 6 e 24 ore dalla applicazione. Risultati preliminari dimostrano che la condizione di ipossia non migliora in maniera significativa il processo di extravasazione e non esercita alcun effetto sulla maturazione e stabilizzazione dei microcapillari.
The spread of metastasis to distant locations from primary tumor sites in breast cancer patients is the leading cause of death for women worldwide.
In fact, most of the conventional therapies are quite ineffective on breast cancer since this process is quite hard to control. The metastatic cascade is a complex multistep process characterized by several cellular interactions between cancer cells and tumor microenvironment. Moreover, the high heterogeneity between metastasis and the resistance to apoptosis and senescence do not allow an efficient detection of these abnormal cells.
Once the primary tumor has gained a space in its microenvironment it can undergo dormancy or starts the metastatic cascade. This process involves the formation of new blood vessels (angiogenesis), which create a window to the blood stream, where the cancer cells intravasate.
To better study and characterize all these complex phenomena, several in vivo and in vitro models have been developed in the last decades. The in vivo models can illustrate the interaction of cancer cells in more physiological and complex environments, even if these models are not easily accessible to gather real-time information, and they face with the animal/human variability.
In vitro devices aim to overcome limitations of a highly variable environment. They replicate most of the cellular pathways and interactions in a more controlled and accessible way. Such devices can replicate a 3D environment by the addition of extracellular matrix (e.g., collagen, fibrin of laminin), where cells are usually seeded and, sometimes, cocultured with other stromal cells. More specifically, the extravasation process has been studied in microfluidic devices as the interaction of endothelial cells (e.g., Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs), Human Dermal Microvascular Endothelial Cells (HDMVECs) resembling the capillary walls, and metastatic cancer cells. However, these models usually exploit endothelial cells as sheets or monolayer to guarantee an uninterrupted and efficient barrier. This means that the endothelial progenitors do not form a well interconnected structure which can recall capillary networks.
This thesis deals with the development of a microfluidic device, where HUVECs embedded in a fibrin gel can assemble in microvascular network with the stabilizing effect of noncontact culture of Normal Human Lung Fibroblasts (NHLF). The device is then used for the analysis of the extravasation process within 6 hours after the injection of MDA-MB-231, to better understand the interaction between the endothelial wall and the cancer cells. Finally, we tested the effect of hypoxia and normoxia on extravasation (6 hours) and the effect of hypoxia/normoxia on microvascular network maturation at 6 and 24 hours. Preliminary results show that the condition of hypoxia does not significantly improve the extravasation process and the maturation and stabilization of the microvascular network.