ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
3-apr-2025
2024/2025
Il colangiocarcinoma è una malattia altamente aggressiva caratterizzata da un complesso microambiente tumorale che contribuisce all’evasione immunitaria e all’alta resistenza alle terapie convenzionali contro il tumore. Negli ultimi anni, l’immunoterapia ha aperto la strada a nuove strategie terapeutiche, ma i riscontri clinici sono ancora molto variabili e i meccanismi riguardanti la risposta al trattamento non sono ancora del tutto compresi. In questo studio, abbiamo ottimizzato una modello di CCA-on-chip, rendendolo una piattaforma biomimetica affidabile per valutare le interazioni tra le cellule tumorali e il sistema immunitario e per implementare degli approcci di terapia personalizzata. La piattaforma microfluidica consiste in un chip di PDMS con tre canali interconnessi, in grado di replicare le caratteristiche principali del microambiente tumorale, includendo cellule tumorali e fibroblasti associati al tumore, incapsulati all’interno di un gel di collagene e fibrina, insieme a cellule endoteliali e cellule del sistema immunitario. I dispositivi microfluidici sono stati progettati e fabbricati al Politecnico di Milano (MI), mentre gli esperimenti biologici sono stati svolti all’Humanitas Clinical and Research Center di Rozzano (MI). In questo lavoro di tesi, abbiamo prima valutato la correlazione tra l’espressione di PD-L1 e i risvolti clinici in pazienti affetti da colangiocarcinoma intraepatico, dimostrando che un’alta espressione di PD-L1 è correlata con una peggiore prognosi e un microambiente tumorale immunosoppressivo. Successivamente, abbiamo incorporato le cellule di linea di colangiocarcinoma intraepatico con diversi livelli di espressione di PD-L1 nel CCA-on-chip per valutare l’infiltrazione e la funzionalità del sistema immunitario. I nostri risultati hanno confermato che le cellule con un’alta espressione di PD-L1 sono associate con un maggiore esaurimento delle cellule T e una riduzione della loro attività citotossica, mentre cellule con un basso livello di espressione di PD-L1 sono correlate ad una maggiore infiltrazione immunitaria e una migliore attività antitumorale. Per meglio valutare la risposta al trattamento, abbiamo ottimizzato il protocollo di trattamento nel chip per la chemio-immunoterapia (Gemcitabina + Cisplatino + Durvalumab). La dinamica di diffusione dei farmaci è stata simulata con COMSOL Multiphysics per fornire informazioni sulla farmacocinetica e la distribuzione dei farmaci nel chip. In base ai nostri risultati, il tumore con maggiore espressione di PD-L1 risponde meglio alla terapia combinata, rispetto alla sola chemioterapia, suggerendo che l’espressione di PD-L1 potrebbe essere un potenziale fattore predittivo per i pazienti trattati con immunoterapia. In generale, questo studio dimostra che la piattaforma CCA-on-chip riesce a replicare efficientemente la complessità di questa patologia, candidandosi come dispositivo utile per la medicina personalizzata.
Cholangiocarcinoma (CCA) is a highly lethal malignancy characterized by a complex tumor microenvironment (TME) that contributes to immune evasion and high resistance to traditional therapies. In recent years, immunotherapy has opened new treatment strategies, but clinical outcomes remain still highly variable and the mechanisms underlying treatment response are not fully understood. In this study, we optimized and validated an established CCA-on-chip model as a reliable biomimetic in vitro model to evaluate tumor-immune system interactions and improve personalized therapeutic approaches. The microfluidic platform consists of a PDMS chip with three interconnected channels that replicate the key characteristics of the TME, including tumor cells and cancer-associated fibroblasts (CAFs), embedded in a collagen-fibrin hydrogel, endothelial cells and immune cells. Microfluidic devices were designed and fabricated at Politecnico di Milano (MI), whereas biological experiments were carried out at Humanitas Clinical and Research Center (Rozzano, MI). In this present work, we first evaluated the correlation between PD-L1 expression and clinical outcomes in intrahepatic CCA (iCCA) patients, demonstrating that high PD-L1 expression in iCCA is correlated with a worse prognosis and more immunosuppressive TME. Subsequently, we incorporated iCCA cell lines with different expression levels of PD-L1 into the CCA-on-chip to evaluate the immune system infiltration and function. Our results confirm that high PD-L1 expressing cells are associated with enhanced T cell exhaustion and reduced cytotoxic activity, while low PD-L1 expressing cells correlate with a higher immune infiltration and anticancer activity. To further investigate therapeutic responses, we optimized the on-chip treatment protocol for chemo-immunotherapy (Gemcitabine + Cisplatin + Durvalumab). Drug diffusion dynamics were simulated using COMSOL Multiphysics to provide insights in the pharmacokinetics and drug distributions on chip. Our results show that high PD-L1 tumors show an enhanced response to combined therapy, compared to chemotherapy alone, suggesting PD-L1 expression as a potential predictive biomarker for patients treated with immunotherapy. Overall, this study demonstrates that the CCA-on-chip platform effectively replicates the complexity of this pathology, providing a valuable tool for personalized medicine.