A diffuse interface approach for modeling active wetting and tissue fluidification of tumor spheroids

Metastatic cancer is the most aggressive stage of tumor progression, marked by the ability of cancer cells to spread from the primary site to distant organs. In many types of tumors, initiation of metastasis is triggered by the epithelial mesenchymal transition (EMT), during which cancer cells lose adhesion and polarity and gain mesenchymal traits such as motility and invasiveness. In literature, this phase is studied by in-vitro experiments of tumor spreading that display a solid-to-fluid transition. In this thesis, we propose a new diffuse interface method to model tumor spreading as an active wetting phenomenon by a variational principle within the framework of non-equilibrium thermodynamics. The tissue is represented as a two-phase system consisting of a spherical tumor cluster surrounded by a non-invadable Newtonian fluid. To capture the active, nematic-like behavior of cancer cells, a director field variable is incorporated into the governing equations. Although the diffuse interface approach offers many advantages, particularly in tracking the tumor boundary, we also derive its sharp interface limit. This allows us to analyze the physical mechanisms controlling the system as the interface thickness vanishes and to validate the proposed formulation. This modeling framework is designed to replicate experimental time-lapse images provided by IFOM – Fondazione Istituto di Oncologia Molecolare- center, which document the spreading dynamics of 3D breast cancer spheroids (MCF10 DCIS.com) over a substrate. The dataset includes two experimental conditions: a control group (SCR) and a group in which the adaptor protein IRSp53 is silenced through knockdown (IRSp53-KD). Biologists have found out that IRSp53 is essential for maintaining cell–cell adhesion and coordinated motion. Its depletion increases tissue fluidity and enhances spreading. To investigate the physical mechanisms underlying this behavior, we have performed numerical simulations of the diffuse model using the Finite Element Method. We have thus conducted a sensitivity analysis on key mechanical parameters to analyze their impact on tumor spheroid spreading. The results demonstrate that the diffuse interface model effectively captures the biomechanical mechanisms underlying spheroid wetting. As a first step, the outcomes align with the biological observations reported by IFOM researchers and offer useful insights to guide future simulations, with the aim of better reproducing experimental data in both IRSp53 knockdown and control conditions.

Il cancro metastatico rappresenta la fase più aggressiva della progressione tumorale ed è caratterizzato dalla capacità delle cellule tumorali di migrare dal sito primario verso organi distanti. In molte tipologie di tumori, l'avvio delle metastasi è innescato dalla transizione epitelio-mesenchimale (EMT), durante la quale le cellule tumorali perdono adesione e polarità, acquisendo proprietà mesenchimali come la motilità e l’invasività. In letteratura, questa fase viene spesso studiata attraverso esperimenti in vitro in cui si osserva la diffusione tumorale essere caratterizzata da una transizione da uno stato solido a uno fluido. In questa tesi, proponiamo un nuovo approccio basato su un modello a interfaccia diffusa per descrivere la diffusione tumorale come un fenomeno di bagnatura attiva, formulato secondo un principio variazionale nell’ambito della termodinamica di non equilibrio. Il tessuto è modellato come un sistema bifasico, costituito da uno sferoide tumorale circondato da un fluido newtoniano. Per rappresentare il comportamento attivo e nematico delle cellule tumorali, introduciamo una variabile di campo direttore all’interno delle equazioni. Sebbene il metodo a interfaccia diffusa offra numerosi vantaggi — in particolare nel tracciamento della morfologia del tumore — ne ricaviamo anche il limite di interfaccia netta (sharp), che ci consente di analizzare i meccanismi fisici predominanti nel caso di interfacce sottili e di validare la formulazione proposta. Il modello è stato sviluppato per riprodurre le immagini sperimentali in time-lapse fornite da IFOM – Fondazione Istituto di Oncologia Molecolare – che documentano la dinamica di diffusione di sferoidi tridimensionali di cancro al seno (MCF10 DCIS.com) su un substrato. Il dataset sperimentale include due condizioni: un gruppo di controllo (SCR) e un gruppo in cui la proteina adattatrice IRSp53 è stata silenziata tramite knockdown (IRSp53-KD). I biologi di IFOM hanno dimostrato che IRSp53 è fondamentale per mantenere l’adesione cellula-cellula e il movimento collettivo; la sua assenza aumenta la fluidità del tessuto e ne promuove la diffusione. Per scoprire i meccanismi fisici responsabili di questo comportamento, abbiamo condotto delle simulazioni numeriche del modello a interfaccia diffusa utilizzando il metodo degli elementi finiti. Abbiamo quindi eseguito un’analisi di sensitività sui principali parametri meccanici per valutarne l’effetto sulla diffusione dello sferoide tumorale. I risultati ottenuti mostrano che il modello è in grado di rappresentare efficacemente i meccanismi biomeccanici alla base del fenomeno di bagnatura tumorale. In questo primo passo, le simulazioni risultano essere coerenti con le osservazioni biologiche raccolte dai ricercatori di IFOM e forniscono indicazioni utili per orientare studi futuri, con l’obiettivo di riprodurre in modo più accurato i dati sperimentali, sia nelle condizioni di knockdown di IRSp53 che in quelle di controllo.