Bone marrow on chip as a sensor for early-stage cancer: development of a microfluidic platform for the recapitulation of the mesenchymal-hematopoietic niche

Bone marrow (BM) is the tissue where the process of hematopoiesis takes place allowing the continuous renewal of blood cells; indeed, hematopoietic stem cells (HSCs) have the capacity to self-renew and differentiate. The BM is characterized by a complex microenvironment in terms of cellular components, chemical factors, extracellular matrix composition and biomechanical stimuli. Mesenchymal stem cells (MSCs) are the main regulators of the bone marrow niche sustaining HSCs behaviour since are able to differentiate into multiple cellular populations including osteoblasts, abundantly found in the endosteal niche. Infection, inflammation, cancer, chronic disease and aging could affect HSCs and MSCs activating specific transcription changes that lead to a stress-induced hematopoiesis altering the commitment process. In particular, in case of breast cancer, MSCs sense peripheral tumour releasing a specific interleukin, IL-1β, that induces HSCs up-regulation of ATF3, a transcription factor involved in myeloid differentiation. With the aim to replicate this pathway in an in vitro model, a previous microfluidic was optimized and validated to recreate the compartmentalization of BM allowing the physiological interaction of hematopoietic stem cells and mesenchymal stem cells cultured, into different channels of the device, in a fibrin-based hydrogel. Additionally, a new microfluidic platform was designed and validated for the MSCs culture in fibrin-based hydrogel to allow their differentiation towards osteoblasts to better recapitulate the mesenchymal-hematopoietic niche. Both devices developed were technically validated by assessing micro-scale features dimensions and biologically validated through LIVE/DEAD assays, immunofluorescent stainings and RT-qPCR analysis. Microfluidic platforms implemented represent a starting point for the study of physiology and pathophysiology of bone marrow niche.

Il midollo osseo è il tessuto in cui avviene il processo di ematopoiesi che permette il continuo rinnovamento delle cellule del sangue; infatti, le cellule staminali ematopoietiche hanno la capacità di auto-rinnovarsi e differenziarsi. Il midollo osseo è caratterizzato da un microambiente complesso in termini di componenti cellulari, fattori chimici, composizione della matrice extracellulare e stimoli biomeccanici. Le cellule staminali mesenchimali sono in grado di sostenere il comportamento delle cellule staminali ematopoietiche nella nicchia del midollo osseo poiché sono in grado di differenziarsi in molteplici popolazioni cellulari tra cui gli osteoblasti, presenti in abbondanza nella nicchia endostale. Infezioni, infiammazioni, cancro, malattie croniche e invecchiamento possono influenzare le cellule staminali ematopoietiche e le cellule staminali mesenchimali attivando specifici cambiamenti di trascrizione che portano ad un'ematopoiesi indotta da stress che altera il processo di differenziamento. In particolare, nel caso del cancro al seno, le cellule staminali mesenchimali percepiscono il tumore periferico rilasciando una specifica interleuchina, IL-1β, che induce, nelle cellule staminali ematopoietiche, l'up-regolazione di ATF3, un fattore di trascrizione coinvolto nel differenziamento mieloide. Con l'obiettivo di replicare questo processo in un modello in vitro, una precedente piattaforma microfluidica è stata ottimizzata e validata per ricreare la compartimentazione del midollo osseo consentendo l'interazione fisiologica di cellule staminali ematopoietiche e cellule staminali mesenchimali coltivate, in diversi canali del dispositivo, in un idrogel a base di fibrina. Inoltre, è stata progettata e validata una nuova piattaforma microfluidica per la coltura di cellule staminali mesenchimali in un idrogel a base di fibrina per consentire il differenziamento in osteoblasti e ricapitolare al meglio la nicchia mesenchimale-ematopoietica. Entrambi i dispositivi sviluppati sono stati validati tecnicamente, valutando le dimensioni dei micro-canali, e biologicamente attraverso saggi di vitalità, colorazioni immunofluorescenti e analisi di PCR quantitativa. È stato dimostrato che le piattaforme microfluidiche implementate rappresentano un punto di partenza per lo studio della fisiologia e della fisiopatologia della nicchia del midollo osseo.