Development of an in vitro organ-on-chip model to study the efficacy of target therapy in lung cancer patient-derived cells

Lung cancer is the leading cause of cancer-related death worldwide, and new treatments are being developed to increase patient survival. A better understanding of lung pathophysiology is necessary for the validation of new therapies and the improvement of the existing treatments. The Organ-on-Chip (OoC) technology can be applied to address these needs, providing a model that reproduces the tumour environment in vitro. Indeed, in recent years, OoC has demonstrated excellent results for drug screening and, consequently, for drug therapy. The aim of this thesis is to develop an in vitro model based on OoC technology to study the efficacy of targeted therapy for lung cancer patients using patient-derived cells (both organoids and fibroblasts) carrying a KRAS G12C mutation. Microfluidic devices were fabricated at Politecnico di Milano, and the biological experiments were carried out at the IRCCS Humanitas Research Hospital. Considering the presence of two different cell types, a combination of organoids’ and fibroblasts’ media was validated. Moreover, the efficacy of the device was evaluated, guaranteeing an acceptable viability for both cell types. Finally, the role of fibroblasts in the co-culture was tested. It is known that, in the human body, they are essential for inducing drug resistance, so it was verified whether this feature was present also in the cells injected into the chip. In the absence of patients with a KRAS G12C mutation, the standard care for lung tumour was performed, a cisplatin treatment. We observed that CAFs have a role in cisplatin effect on PDOs, conferring resistance to the treatment. These results open a new way for a ready-to-use set-up of OoC that can be applied to a KRAS G12C mutated lung patients or other samples for targeted therapy. In summary, this thesis develops a model that can reproduce the lung tumour environment and its response to targeted therapy. Even if some improvements are necessary, a co-culture with organoids is a successful way to identify new personalized treatments.

Il cancro ai polmoni è la principale causa di morte per cancro a livello mondiale, e nuovi trattamenti vengono sviluppati per aumentare la sopravvivenza dei pazienti. Una migliore comprensione della fisiopatologia polmonare è necessaria per la validazione di nuove terapie e il miglioramento dei trattamenti esistenti. La tecnologia Organ-on-Chip (OoC) può essere applicata per rispondere a queste esigenze, fornendo un modello in vitro che riproduce l’ambiente tumorale. Negli ultimi anni, infatti, l'OoC ha dimostrato risultati eccellenti nello screening farmacologico e, di conseguenza, nella terapia farmacologica. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare un modello in vitro basato sulla tecnologia OoC per studiare l'efficacia della terapia mirata nei pazienti affetti da cancro ai polmoni, utilizzando cellule derivate dai pazienti (sia organoidi che fibroblasti) con mutazione KRAS G12C. I dispositivi microfluidici sono stati fabbricati presso il Politecnico di Milano, mentre gli esperimenti biologici sono stati condotti presso l'IRCCS Humanitas Research Hospital. Considerata la presenza di due diversi tipi cellulari, è stata validata una combinazione di terreni di coltura per organoidi e fibroblasti. Inoltre, è stata valutata l’efficacia del dispositivo, garantendo una vitalità accettabile per entrambi i tipi cellulari. Infine, è stato testato il ruolo dei fibroblasti nella co-coltura. È noto che, nel corpo umano, i fibroblasti sono essenziali per indurre la resistenza ai farmaci, quindi si è verificato se questa caratteristica fosse presente anche nelle cellule iniettate nel chip. In assenza di pazienti con mutazione KRAS G12C, è stato eseguito il trattamento standard per il tumore polmonare, ovvero una terapia con cisplatino. Si è osservato che i fibroblasti associati al cancro (CAFs) influenzano l'effetto del cisplatino sugli organoidi derivati dai pazienti (PDOs), conferendo resistenza al trattamento. Questi risultati aprono la strada a una configurazione pronta all'uso di OoC, applicabile a pazienti con mutazione KRAS G12C o ad altri campioni per terapie mirate. In sintesi, questa tesi sviluppa un modello in grado di riprodurre l’ambiente tumorale polmonare e la sua risposta alla terapia mirata. Sebbene siano necessari alcuni miglioramenti, la co-coltura con organoidi rappresenta un approccio promettente per identificare nuovi trattamenti personalizzati.