Development of a decellularized ECM scaffold to mimic human lung fibrosis

Lung adenocarcinoma (LUAD) is one of the leading causes of death worldwide. Increasing evidence suggests that a fibrotic environment, characterized by increased extracellular matrix (ECM) stiffness, promotes tumorigenesis. However, available in vitro models fail to replicate the mechanical and biochemical cues of the fibrotic lung, limiting our understanding of how ECM stiffness triggers tumorigenesis. In this work, we aim at developing a 3D human in vitro model of lung fibrosis to investigate early tumorigenic events. Histological analyses of healthy and tumor lung tissues from UCLH resections confirmed that tumor regions exhibit significantly increased fibrosis, particularly a 15% increase in collagen I deposition, along with a significant increase of cell proliferation and H2AX-expressing cells. To recreate the lung ECM, we applied a whole organ decellularization protocol to human lung parenchyma, preserving both the 3D architecture and key biochemical components such as elastin and glycosaminoglycans. The resulting ECM scaffold supported the integration of human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived alveolar progenitor organoids and promoted alveolar differentiation, confirming its biocompatibility. To mimic the fibrotic environment, we chemically crosslinked the ECM to generate scaffolds with three distinct stiffness levels named “soft”, “stiff”, and “super-stiff” corresponding to increasing collagen I content and mechanical stiffness. This will allow us to assess how ECM stiffness affects cellular behavior, including the pathways involved in tumor initiation and progression. Overall, our model offers a lung-specific, biomimetic platform to study tumor–matrix interactions in a controlled lung-specific 3D environment.

L’adenocarcinoma polmonare (LUAD) è una delle principali cause di morte a livello mondiale. Crescenti evidenze indicano che un microambiente fibrotico, caratterizzato da un’aumentata rigidità della matrice extracellulare (ECM), promuove la tumorigenesi. Tuttavia, i modelli in vitro disponibili non riescono a riprodurre fedelmente i segnali meccanici e biochimici del polmone fibrotico, limitando la comprensione di come la rigidità dell’ECM inneschi i processi tumorigenici. In questo lavoro miriamo a sviluppare un modello umano tridimensionale in vitro di fibrosi polmonare per investigare gli eventi tumorigenici precoci. Analisi istologiche di tessuti polmonari sani e tumorali da resezioni eseguite presso l’UCLH hanno confermato che le regioni tumorali presentano una fibrosi significativamente aumentata, in particolare un incremento del 15% della deposizione di collagene I, insieme a un aumento significativo della proliferazione cellulare e delle cellule positive per H2AX. Per ricreare l’ECM polmonare, abbiamo applicato un protocollo di decellularizzazione dell’intero organo al parenchima polmonare umano, preservando sia l’architettura 3D sia componenti biochimiche chiave quali elastina e glicosaminoglicani. L’impalcatura di ECM risultante ha supportato l’integrazione di organoidi di progenitori alveolari derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) e ha promosso la differenziazione alveolare, confermandone la biocompatibilità. Per riprodurre l’ambiente fibrotico, abbiamo reticolato chimicamente l’ECM generando impalcature con tre distinti livelli di rigidità (“soft”, “stiff” e “super-stiff”), corrispondenti a un contenuto crescente di collagene I e a maggiore rigidità meccanica. Questo approccio permetterà di valutare come la rigidità dell’ECM influenzi il comportamento cellulare, incluse le vie coinvolte nell’inizio e nella progressione del tumore. Nel complesso, il nostro modello offre una piattaforma biomimetica specifica per il polmone per studiare le interazioni tumore–matrice in un ambiente tridimensionale controllato.