Synthesis and characterization of customized biopolymer inks for 3D bioprinting of ovarian cancer scaffolds

Ovarian cancer (OC) represents one of the most frequent malignant tumors in the female reproductive system. Because of its complex tumor microenvironment (TME), it is crucial to reproduce dependable tumor models which accurately mimic it, to achieve more effective therapeutic results. Standard 2D culture models cannot reproduce the three-dimensional architecture and cellular interactions of OC, underlining the need for more advanced models. In vitro 3D models more closely mimic cellular interactions and spatial distribution inside TME, essential to capture physio-pathological phenomena and improve prediction of patient responses. 3D bioprinting has emerged as a promising technique to create heterogenous and reproducible models with controlled shape and architecture. This approach allows layer-by-layer constructs which, through customizable materials, can better match layer-specific mechanics of the TME. However, this technology is still poorly investigated for ovarian tumors. In this work, gelatin and a combination of gelatin-collagen and gelatin-fibronectin bioinks were evaluated as substrates for one ovarian cancer cell line, OVCAR3, and two non-malignant lines, human ovarian fibroblast (HoF) and human ovarian mesothelial cells. Chemical and physical properties of synthetized materials were characterized through FTIR and NMR spectroscopy, followed by stiffness characterization, crucial to identify optimal functionalization degree of methacrylate gelatin and its concentration inside the three inks. After inks formulation, printability was assessed through rheological tests as well as shape fidelity and swelling behavior. These results, combined with biocompatibility assessment of the lines with hydrogels, showed the suitability of all elements for this application. At this point, three different layers, each with suitable bioink formulation and relative cell line embedded, were realized through 3D extrusion bioprinting. Biological assessment exhibited cell survival up to 7 days and favorable proliferation, highlighting the potential of these materials for realistic OC models. This study provides a starting point for developing more suitable and effective 3D-printed OC models through the inclusion of collagen and fibronectin, given their importance as main components of ovarian cancer ECM. Despite these promising results, further work is needed to optimize and standardize printing parameters to improve reproducibility and to create more realistic, high-resolution models that maintain viability and function over long-term culture, ultimately improving clinical outcomes in OC.

Il carcinoma ovarico (OC) rappresenta uno dei tumori maligni più frequenti dell’apparato riproduttivo femminile. A causa del suo complesso microambiente tumorale (TME), è cruciale disporre di modelli affidabili che lo riproducano con precisione, per ottenere risultati terapeutici più efficaci. I modelli 2D standard non riescono a riprodurre l’architettura tridimensionale e le interazioni cellulari tipiche dell’OC, evidenziando la necessità di approcci più avanzati. I modelli 3D in vitro imitano più fedelmente le interazioni cellulari e la distribuzione spaziale nel TME, aspetti essenziali per cogliere fenomeni fisiopatologici e migliorare la predizione delle risposte dei pazienti. Negli ultimi anni, la biostampa 3D è emersa come tecnica promettente per creare modelli eterogenei e riproducibili con forma e architettura controllate. Questo approccio consente la realizzazione di costrutti strato su strato che, grazie a materiali personalizzabili, possono riprodurre meglio la meccanica specifica dei diversi strati del TME. Tuttavia, questa tecnologia è ancora poco esplorata nei tumori ovarici. In questo lavoro, gelatina e combinazioni di gelatina-collagene e gelatina-fibronectina sono stati valutati come substrati per una linea tumorale ovarica, OVCAR3, e due linee non maligne: fibroblasti ovarici umani (HoF) e cellule mesoteliali ovariche. Le proprietà chimico-fisiche dei materiali sintetizzati sono state caratterizzate tramite spettroscopia FTIR e NMR, seguite dalla caratterizzazione della rigidità, cruciale per identificare il grado ottimale di metacrilazione della gelatina e la sua concentrazione nei tre inchiostri. Dopo la formulazione, la stampabilità è stata valutata mediante test reologici, fedeltà di forma e rigonfiamento. Questi risultati, uniti alla valutazione della biocompatibilità con gli idrogel, hanno mostrato l’idoneità degli elementi per l’applicazione. Successivamente, tre strati differenti, ciascuno con una formulazione di bioink adeguata e la relativa linea cellulare incorporata, sono stati realizzati tramite biostampa 3D a estrusione. La valutazione biologica ha mostrato sopravvivenza cellulare fino a 7 giorni e proliferazione favorevole, evidenziando il potenziale di questi materiali per modelli realistici di OC. Questo studio fornisce un punto di partenza per sviluppare modelli 3D di OC più idonei ed efficaci, grazie all’inclusione di collagene e fibronectina, componenti principali della ECM ovarica. Nonostante i risultati promettenti, servono ulteriori studi per ottimizzare e standardizzare i parametri di stampa, migliorare la riproducibilità e creare modelli più realistici e ad alta risoluzione, in grado di mantenere vitalità e funzionalità cellulare in colture a lungo termine, contribuendo a migliori esiti clinici per le pazienti con OC.