An in-vitro bone model for the study of breast cancer bone metastasis drug resistance

Breast cancer has a very high survival rate in its early stages, but it can metastasize to other part of the organism and become an incurable disease. The most common locus of metastasis is the bone, which often plays the role of a “disseminating hub”, priming cancer cells for other organs involvement. The role of the bone, while still being poorly understood, is slowly gaining more interest, as it appears to shield cancer cells from antitumoral treatments by offering them an environment suited for dormancy, by enhancing their proliferation or aggressiveness, or even by directly reducing the effect of chemotherapeutic drugs. In order to test and evaluate new drug treatments, 2D cell cultures and murine models remain the gold standard, while being effectively inadequate to recapitulate the complexity of a 3-dimentional tumor embedded in a bone and human cell-cell interactions, respectively. While many 3D bone models are being designed, none yet have been used to evaluate the specific role of bone niches in drug resistance, especially in the context of high-throughput drug screening. Trying to highlight the components needed for such a model, this PhD project first reviewed both the known role of each bone cell type in inducing resistance in breast cancer cells, and the current 3D models focused on replicating this resistance, highlighting their shortcomings. This insight was then used to attempt to build a high-throughput model recapitulating the perivascular, endosteal and adipogenic niche, first through a DLP-printed platform, then through a trabeculae-inspired insert that could fit into a standardized well. Using a simplified version of this insert, the specific impact of each niche was then investigated against three metastatic breast cancer cell lines (triple-negative MDA-MB-231, ER+ MCF7 and HER2+ BT474) exposed to dose-dependent antitumoral drug treatment (either chemotherapeutic compound Doxorubicin, or small molecule Ribociclib). In order to evaluate the adaptability of our results to other cancers, the role of the microenvironment in a 3D setting was also tested for Non-Hodgkin Lymphoma cells. Finally, a mesoscale chip was built recapitulating both the endosteal and the perivascular niche, that could be used to investigate the extravasation of cancer cells from the vasculature and their subsequent homing into the endosteal part of the bone.

Il carcinoma mammario presenta un tasso di sopravvivenza molto elevato nelle sue fasi iniziali, ma può metastatizzare in altre parti dell’organismo e diventare una malattia incurabile. Il sito di metastasi più comune è l’osso, che spesso svolge il ruolo di “snodo di disseminazione”, predisponendo le cellule tumorali al coinvolgimento di altri organi. Il ruolo dell’osso, sebbene ancora poco compreso, sta suscitando un crescente interesse, poiché sembra proteggere le cellule tumorali dai trattamenti antitumorali offrendo loro un ambiente favorevole alla dormienza, aumentando la loro proliferazione o aggressività, o persino riducendo direttamente l’efficacia dei farmaci chemioterapici. Per testare e valutare nuovi trattamenti farmacologici, le colture cellulari bidimensionali (2D) e i modelli murini rimangono lo standard di riferimento, pur risultando inadeguati a riprodurre la complessità di un tumore tridimensionale (3D) inserito in un tessuto osseo e le interazioni cellula-cellula umane, rispettivamente. Sebbene siano in fase di sviluppo numerosi modelli ossei 3D, nessuno è stato finora utilizzato per valutare il ruolo specifico delle nicchie ossee nella resistenza ai farmaci, in particolare nel contesto dello screening farmacologico ad alta processività (high-throughput). Con l’obiettivo di evidenziare i componenti necessari per un tale modello, questo progetto di dottorato ha dapprima analizzato il ruolo noto di ciascun tipo cellulare osseo nell’indurre resistenza nelle cellule di carcinoma mammario, e ha poi passato in rassegna i modelli 3D attualmente esistenti focalizzati sulla riproduzione di tale resistenza, evidenziandone i limiti. Queste informazioni sono state poi utilizzate per tentare di costruire un modello ad alta processività in grado di riprodurre le nicchie perivascolare, endostale e adipogenica, inizialmente mediante una piattaforma stampata in DLP, quindi attraverso un inserto ispirato alla struttura trabecolare, compatibile con pozzetti standardizzati. Utilizzando una versione semplificata di questo inserto, è stato quindi indagato l’impatto specifico di ciascuna nicchia su tre linee cellulari di carcinoma mammario metastatico (triplo negativo MDA-MB-231, ER+ MCF7 e HER2+ BT474) esposte a trattamenti antitumorali dose-dipendenti (con il composto chemioterapico Doxorubicina o con la piccola molecola Ribociclib). Per valutare l’adattabilità dei risultati ottenuti ad altri tipi di tumore, è stato inoltre analizzato il ruolo del microambiente in un contesto tridimensionale anche per cellule di linfoma non Hodgkin. Infine, è stato realizzato un chip mesoscalare capace di riprodurre sia la nicchia endostale sia quella perivascolare, utilizzabile per studiare l’extravasazione delle cellule tumorali dal compartimento vascolare e il loro successivo insediamento nella parte endostale dell’osso.