A pathological Bone Marrow (BM)-on-chip to dissect the influence of the BM microenvironment on leukemia maintenance and progression

The Bone Marrow (BM) tissue, situated within bones, plays a vital role in supporting haematopoiesis by housing haematopoietic stem cells (HSCs) in specialized niches crucial for blood cell production. Understanding the complex microenvironment of the BM is essential for accurately replicating it within Organ-on-Chip (OoC), in order to enhance the knowledge gained from traditional in vitro tests and bridge the gap between traditional preclinical models and human clinical outcomes. The intricate anatomy and physiology of the BM create challenges in comprehending the composition of HSC niches and the communication pathways of HSCs with other cells in the BM microenvironment, such as mesenchymal stromal cells (MSCs). In the context of diseases like myeloid leukemia, which affects HSCs residing inside the BM, the BM microenvironment appears to release stimuli that promote leukemia cell proliferation and confer resistance to chemotherapy drugs, shielding them from their effects. This thesis explores the potential applications of OoC devices, with a focus on the Bone Marrow-on-Chip (BM-on-Chip). The study aims to deepen understanding of the BM microenvironment’s response to inflammatory stimuli and to evaluate an adapted BM-on-Chip model for mimicking leukemia environments and for improving in vitro chemotherapy drug testing. Preliminary results were achieved through establishing optimal on-Chip seeding methods, developing real-time viability assessment protocols and the improvement of dosage testing for anti-leukemic drugs on-Chip, particularly Ara-C. Furthermore, biological studies investigated the involvement of MSCs in the tumoral microenvironment, highlighting their potential memory effects triggered by exposure to tumours. Future developments propose in this thesis include the redesigned of BM-on-Chip model to integrates greater cellular complexity, such as the incorporation of the vascular system and osteoblasts. Additionally, mechanical actuation mechanisms are suggested to mimic the native bone BM more faithfully. In conclusion, this thesis underscores the promising potential of OoC devices, particularly BM-on-Chip models, in advancing actual in vitro testing methods for physiological and pathological research. This advancement represents a significant step towards more precise and human-relevant models in biomedical research.

Il midollo osseo, situato all’interno delle ossa, svolge un ruolo vitale nel supportare l’ematopoiesi, ospitando le cellule staminali ematopoietiche in nicchie specializzate fondamentali per la produzione delle cellule del sangue. La comprensione del complesso microambiente del midollo osseo è essenziale per replicarlo accuratamente nei dispositivi su chip, al fine di migliorare la conoscenza derivante dai tradizionali test in vitro e ridurre il divario tra i modelli preclinici tradizionali e gli esiti clinici umani. L’anatomia e la fisiologia intricata del midollo osseo presentano sfide nel comprendere la composizione delle nicchie staminali ematopoietiche e le vie di comunicazione delle cellule staminali ematopoietiche con altre cellule nel microambiente del midollo osseo, come le cellule stromali mesenchimali. Nel contesto di patologie come la leucemia mieloide, che colpisce le cellule staminali ematopoietiche residenti nel midollo osseo, il microambiente di quest’ultimo sembra rilasciare stimoli che promuovono la proliferazione delle cellule leucemiche e conferiscono loro resistenza ai farmaci chemioterapici, proteggendole dai loro effetti. Questa tesi esplora le potenziali applicazioni degli organi su chip, concentrandosi sul modello del midollo osseo su chip. Lo studio mira ad approfondire la risposta del microambiente del midollo osseo agli stimoli infiammatori e valutare un modello adattato di midollo osseo su chip per mimare la leucemia e migliorare i test in vitro di chemioterapici. Dei risultati preliminari sono stati ottenuti mediante l'implementazione di metodi ottimali di semina su chip, lo sviluppo di protocolli di valutazione della vitalità in tempo reale e il miglioramento dei test di dosaggio di farmaci chemioterapici, in particolare l’Ara-C. Inoltre, studi biologici hanno indagato il coinvolgimento delle cellule stromali mesenchimali nel microambiente tumorale, evidenziando dei possibili effetti di memoria innescati dall’esposizione ai tumori. I futuri sviluppi proposti in questa tesi includono il ridisegno del modello di su chip per integrare una maggiore complessità cellulare, come l’incorporazione del sistema vascolare e degli osteoblasti. Inoltre, è suggerita l’aggiunta di un’attuazione meccanica per mimare più fedelmente l’ambiente nativo del midollo osseo. In conclusione, questa tesi sottolinea il promettente potenziale dei dispositivi su chip, in particolare dei modelli di midollo osseo su chip, per migliorare gli attuali test in vitro nella ricerca fisiologica e patologica. Questo potenziale miglioramento rappresenta un significativo passo avanti verso modelli più precisi e pertinenti all’organismo umano per la ricerca biomedica.