Tumor on a chip models for breast cancer invasion

Cancer is one of the most lethal diseases in the world. Majority of cancer death cases are caused by secondary tumors which develop as a result of the metastasis. Early phases of metastasis, including pre-invasive tumors and invasion are not well-understood. Extra cellular matrix (ECM) is one of the factors in tumor microenvironment (TME), which has significant effect on early stage metastasis. Current in-vitro models rarely mimic the initial phase of metastasis (invasion and intravasation). During invasion, cancer cells migrate through a heterogeneous ECM environment. Therefore, we aim to develop an in-vitro model of pre-invasive breast cancer and focus on modeling breast cancer invasion within the relevant TME on a chip to understand how cancer cells interact and communicate with their surrounding tissue. To achieve this goal, we studied two approaches. In the first approach, we adopted a microfluidic approach to encapsulate cancer cells in Matrigel to generate beads, which are then embedded in collagen type I to create a heterogeneously patterned matrix as a model for BM and stromal matrix. Ultimately, this model enables us to provide a heterogeneous environment for cancer cells and also it can potentially be used to model invasion as a function of the ECM composition. In the second approach we aim to make lumen based microfluidic devices to obtain circular geometry which is more correlated to physiology. Therefore, we cultured cancer cell inside the perfusion lumen with adjacent micro-buckets to make tumoroids inside the circular buckets in the presence of hydrogel inside the lumen. Lumen based microfluidic device was created by exploiting 3D sugar-printing technology. This model enables us to study the cancer invasion and intravasation inside a lumen based platform. Thus, we can claim the proposed models are adequate models to evaluate the invasion and migration capacity of cells.

Il cancro è una delle malattie più letali al mondo. La maggior parte dei casi di morte per cancro sono causati da tumori secondari che si sviluppano a seguito della metastasi. Le prime fasi della metastasi, compresi i tumori pre-invasivi e l'invasione, non sono ben comprese. La matrice extracellulare (ECM) è uno dei fattori del microambiente tumorale (TME), che ha un effetto significativo sulle metastasi allo stadio iniziale. Gli attuali modelli in-vitro imitano raramente la fase iniziale della metastasi (invasione e intravasazione). Durante l'invasione, le cellule tumorali migrano attraverso un ambiente ECM eterogeneo. Pertanto, miriamo a sviluppare un modello in-vitro di carcinoma mammario pre-invasivo e concentrarci sulla modellazione dell'invasione del cancro al seno all'interno del pertinente TME su un chip per capire come le cellule tumorali interagiscono e comunicano con il tessuto circostante. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo studiato due approcci. Nel primo approccio, abbiamo adottato un approccio microfluidico per incapsulare le cellule tumorali in Matrigel per generare perline, che vengono quindi incorporate nel collagene di tipo I per creare una matrice a motivi eterogenei come modello per BM e matrice stromale. In definitiva, questo modello ci consente di fornire un ambiente eterogeneo per le cellule tumorali e può anche essere potenzialmente utilizzato per modellare l'invasione in funzione della composizione dell'ECM. Nel secondo approccio miriamo a realizzare dispositivi microfluidici basati sul lume per ottenere una geometria circolare più correlata alla fisiologia. Pertanto, abbiamo coltivato cellule tumorali all'interno del lume di perfusione con micro-secchi adiacenti per creare tumori all'interno dei secchi circolari in presenza di idrogel all'interno del lume. Il dispositivo microfluidico basato sul lume è stato creato sfruttando la tecnologia di stampa 3D dello zucchero. Questo modello ci consente di studiare l'invasione e l'intravasazione del cancro all'interno di una piattaforma basata sul lume. Pertanto, possiamo affermare che i modelli proposti sono modelli adeguati per valutare la capacità di invasione e migrazione delle cellule.