Progettazione di una piattaforma microfluidica high-throughput per drug screening su colture di organoidi

According to the World Health Organization, cancer is the second leading cause of death worldwide; to date, the most used treatments to address cancer involve highly toxic drugs – mainly used in chemotherapy – moreover without certainty of their efficacy on the patient: the therapeutic approach can be defined one-size-fits-all, with the vast majority of patients affected by a particular form of cancer undergoing to similar treatments. Nowadays, numerous studies have been conducted to move on to a patient-specific approach: the goal is to develop methods and instruments to test in vitro the efficacy of the above mentioned drugs on patients, so that the negative side effects of chemotherapy can be avoided for those cases where it would not turn out to be a suitable solution, the treatments efficiency can be improved and delays due to a wrong therapy can be prevented. With a view to adopt this new approach, the goal is to recreate in vitro the microenvironment of the tumor to be treated and then to observe the tumor mass response to drugs. To model a tumor, three possible strategies are available: the cell lines exploitation, where it is possible to take a biopsy of some tumoral cells of the patient or some of the patient’s somatic cells can be immortalized; the orthotopic and/or subcutaneous transplant of tumoral cells of the patient in an immunosuppressed mouse, the so called patient’s derived xenografts (PDXs); lastly, it’s possible to use tumoral organoids, 3D cell cultures displaying many key features of an organ, thanks to the spatial and temporal organization of the cells, reproducing in this way some important functions of the organ. Unlike the first two models, with organoids a genomic and functional similarity with the tumor in vivo has been proved, obtaining an extremely reliable replica of the tumor and resulting in a promising research tool to be used in drug screening. Furthermore, organoids can be cultured in restricted areas, with an associated reduction in experimental costs. The current technology used in drug screening consists in microfluidic devices which, in contrast to conventional culture plates, manage low volumes of fluid, with the advantage of making the culture environment highly controllable, so enabling more precise and repeatable experiments. Another positive aspect is that these devices allow for a high number of parallel analyses with a minimal volume and time consumption (high-throughput platforms). This thesis belongs to the more general project Single-cell cancer evolution in the clinic, developed by CRUCK (Cancer Research UK) e AIRC (Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro), with the aim of designing a high-throughput microfluidic platform to culture tumoral organoids. These organoids are fully immersed in Matrigel, for the purpose of drug screening. Our research is focused on the design of the part of the device that contains Matrigel with organoids in suspension.

Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità, il cancro è la seconda causa di morte globale; ad oggi, i trattamenti più utilizzati per frenarlo e curarlo prevedono l’uso di farmaci altamente tossici - principalmente utilizzati all’interno del trattamento chemioterapico - peraltro senza avere la certezza assoluta della loro efficacia sul paziente: l’approccio della terapia è definito one-size-fits-all, cioè la maggior parte di pazienti affetti da una particolare forma di cancro viene sottoposta a simili trattamenti. Attualmente, numerosi sono gli studi condotti per passare ad un approccio patient-specific: l’obiettivo è quello di elaborare metodi e strumenti in grado di verificare in laboratorio l’efficacia di tali farmaci sui pazienti da trattare, così da evitare gli sgradevoli effetti collaterali legati alla chemioterapia in casi in cui essa non risulterebbe risolutiva e migliorare l’efficienza dei trattamenti, evitando inutili ritardi dovuti ad una terapia inefficace sul paziente. Nell’ottica di adottare questo nuovo approccio, si vuole riprodurre in vitro il microambiente tumorale da trattare e si vuole osservare la risposta della massa tumorale in seguito a somministrazione di farmaci. Per modellare un tumore sono principalmente disponibili tre strategie: lo sfruttamento di linee cellulari, dove si ricavano tramite biopsia alcune cellule tumorali dal paziente oppure si immortalizzano sue cellule somatiche; il trapianto di cellule tumorali del paziente all’interno di un topo immunosoppresso in modalità subcutanea e/o ortotopica, nei cosiddetti xenografts derivati da paziente (PDXs); in ultimo luogo, è possibile utilizzare degli organoidi tumorali, ossia delle colture cellulari tridimensionali che preservano numerose caratteristiche distintive di un dato organo, grazie alla disposizione spaziale e temporale che le cellule presentano, replicando in questo modo alcune funzioni importanti dell’organo in questione. A differenza degli altri due modelli, negli organoidi è confermata la somiglianza genomica e funzionale con il tumore in vivo, permettendo di ottenere una imitazione estremamente affidabile del tumore stesso e risultando un promettente modello di ricerca da utilizzare negli screening farmacologici. Inoltre, possono essere coltivati in piccoli spazi, con un conseguente risparmio sui costi di sperimentazione. La tecnologia attuale dei test di farmaci prevede dispositivi microfluidici che, a differenza delle convenzionali piastre di coltura, utilizzano piccoli volumi di liquido, con il vantaggio di rendere l’ambiente di coltura altamente controllabile e ciò permette di effettuare degli esperimenti più precisi e ripetibili. Un altro vantaggio è quello di permettere di effettuare un numero elevato di analisi in parallelo con un esiguo dispendio di volumi e di tempo da parte dell’operatore (piattaforme high-throughput). Questo lavoro di tesi si inserisce nell’ambito del progetto Single-cell cancer evolution in the clinic, in collaborazione con il CRUCK (Cancer Research UK) e l’AIRC (Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro), il cui obiettivo è progettare una piattaforma microfluidica di tipo high-throughput attraverso la quale coltivare organoidi tumorali, interamente immersi in Matrigel, con lo scopo di effettuare drug screening. La nostra ricerca si è focalizzata sulla progettazione della parte del dispositivo che contiene il Matrigel con organoidi in sospensione.