Vascularized tumor spheroid-on-chip to model pancreatic cancer

Despite research progress, pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is still the only one showing no improvement in mortality rates over the last 20 years in the EU. Significant gaps still remain in understanding this disease for the absence of suitable in vitro culture systems. The lack of functional vasculature, in addition to mechanically relevant models, has been widely regarded as one of the major drawbacks of the currently in use pancreatic tumor models. Here, an innovative in vitro three-dimensional and vascularized spheroid-on-chip technology has been developed. Thanks to its design, the fabricated chip was able to include a proper extracellular matrix with adjustable stiffness. Drug diffusion kinetics assessment was performed using a reaction-diffusion-based model implemented in COMSOL Multiphysics, demonstrating how fibrin gel composition directly affects molecular transport, reflecting the treatment resistance observed in vivo. We were able to determine the best experimental conditions required to obtain PDAC multicellular spheroids by preliminary tests conducted by a co-culture of pancreatic cancer cell line (MIA-PaCa-2) and fibroblast (FB). Our findings suggest that the obtained 3D spheroids behave differently in fibrin gel with different fibrinogen concentrations. For the assessment of the potential use of growth rate to evaluate spheroids’ response to treatments, radiotherapy was administered to spheroids obtained by liquid overlay technique, co-culturing MIA-PaCa-2 and activated pancreatic stellate cells (PSC) through the tumor growth factor (TGF-β). Finally, pancreatic endothelial cells and supportive cell types (PSC) were seeded in the microfluidic chip, assessing the possibility to form a microvascular network uniquely associated with the tumor type under research. These findings demonstrated that our 3D in vitro tumor model exhibits features that may supplement the currently available in vitro pre-clinical screening models, to successfully lead research findings into clinically effective therapies.

Nonostante i recenti avanzamenti nella ricerca, i tassi di mortalità del tumore al pancreas non hanno mostrato miglioramenti negli ultimi 20 anni in UE. A causa dell’assenza di adeguati modelli in vitro, sono ancora presenti lacune significative nella comprensione di questa patologia. In particolare, l’assenza di un network microvascolare e di modelli meccanicamente rilevanti possono essere considerate come alcune delle principali limitazioni dei modelli preclinici di tumore al pancreas attualmente in uso. In questo studio, è stato sviluppato un modello in vitro tridimensionale di sferoidi tumorali su chip per la modellazione del tumore al pancreas. Grazie al suo design, il chip consente l’inclusione di una matrice extracellulare con valori di rigidezza variabili. Utilizzando un modello di reazione-diffusione implementato in COMSOL Multiphysics, è stata valutata la diffusione di un farmaco chemioterapico nel chip, dimostrando come la composizione del gel di fibrina possa riflettere la farmaco-resistenza del tumore osservata in vivo. Sono poi state determinate le migliori condizioni sperimentali per ottenere sferoidi multicellulari, esaminandone, inoltre, il comportamento all’interno di gel di fibrina. MIA-PaCa-2 e cellule pancreatiche stellate (PSC) attivate tramite il fattore di crescita tumorale (TGF-β), sono state utilizzate per ottenere, tramite liquid overaly technique, sferoidi tumorali. Gli sferoidi ottenuti sono stati trattati con radioterapia, per studiare il possibile utilizzo della variazione della crescita dello sferoide stesso come indice di risposta alla terapia. Infine, all’interno del chip microfluidico, sono state seminate cellule endoteliali pancreatiche e cellule stromali (PSC), valutando la possibilità di realizzare un network microvascolare unicamente associato alla tipologia tumorale in esame. Questi risultati mostrano come il nostro modello tumorale in vitro presenti caratteristiche che potrebbero essere integrate nei modelli per lo screening preclinico attualmente in uso, per poter condurre con successo i risultati della ricerca verso terapie clinicamente efficaci.