Design and development of a 3D Ewing's sarcoma model and a compression bioreactor as innovative in vitro tools for cancer tissue engineering

Cell culture and animal models have tremendously advanced our understanding of cancer biology. However both systems have limitations. In recent years, simple 3D models for cancer research have emerged, including cell culture in spheroids and on biomaterial scaffolds. Bioreactors, often used in regenerative medicine applications, might be powerful tools to improve cancer models allowing longer experiments and the simulation of in vivo stimuli. Here a bioengineered model of human Ewing’s sarcoma that mimics the in vivo bone tumor niche with high biological fidelity has been described. In this model, cancer cells that have lost their transcriptional profiles after monolayer culture re-express genes related to focal adhesion and cancer pathways. The bioengineered model recovers the original hypoxic and glycolytic tumor phenotype, and leads to re-expression of angiogenic and vasculogenic mimicry features that favor tumor adaptation. In an integrated fashion a compression bioreactor has been designed and validated that allows operating with a statistically significant number of independent samples, that is easy to assemble, with a user-friendly interface and that is suitable for drug studies. It has, as ultimate goal, to mimic some of the forces sensed by the tumor cells in vivo. For this reason, after a technical validation, the device has been employed to stimulate the tumor models and study the effects of mechanical loading on tumor cells. The preliminary data suggest that compressive strains, kept in a physiological range, induce tumor cells towards an enhanced motility, achieved by the expression of RHOA, CDC42 and the formation of highly oriented actin stress fibers. In this work, it is implied that the use of bioreactors along with 3D tumor models, might become fundamental to better understand tumor’s biology and processes. Finally, in this thesis it is proposed that differentially expressed genes between the monolayer cell culture and tumor environment are potential therapeutic targets that can be explored using the bioengineered tumor model.

Colture cellulari e modelli animali hanno aiutato a rafforzare la nostra comprensione della biologia del cancro . Tuttavia, entrambi gli approcci hanno dei limiti. Negli ultimi anni , semplici modelli 3D per la ricerca sul cancro sono emersi , tra cui la coltura cellulare in sferoidi e scaffold realizzati con biomateriali. Bioreattori, spesso utilizzati in applicazioni di medicina rigenerativa , possono essere potenti strumenti per migliorare i modelli di cancro permettendo esperimenti più lunghi e la simulazione di alcuni stimoli presenti in vivo. In questa tesi, è stato descritto un modello di Ewing sarcoma che riproduce con elevata fedeltà biologica, la nicchia tumorale presente nel tessuto osseo in vivo. In tale modello , le cellule tumorali che hanno perso i loro profili trascrizionali dopo la coltura in monostrato, ri- esprimono i geni legati a prcessi di adesione focale e a meccanismi tumorali. In questo modello vengono recuperati il fenotipo tumorale ipossico e glicolitico originario, e si ha la ri-espressione di caratteristiche fondamentali per l’adattamento del tumore, quali l’angiogenesi e la mimica vascolare. In parallelo, è stato progettato e validato un bioreattore per compressione, che permette di operare con un numero statisticamente significativo di campioni indipendenti , facile da assemblare , con una interfaccia user -friendly e che è adatto per studiare l’effeto dei farmaci. Esso ha come obiettivo finale quello di imitare alcune delle forze percepite dalle cellule tumorali in vivo . Per questo motivo , dopo una validazione tecnica , il dispositivo è stato impiegato per stimolare i modelli tumorali e studiare gli effetti del carico meccanico sulle cellule. I dati preliminari suggeriscono che forze compressive, mantenute in un range fisiologico, inducono le cellule tumorali a una maggiore motilità, ottenuta mediante l'espressione di RHOA , CDC42 e la formazione di filamenti di actina fortemente orientati. In questo lavoro si afferma che, l'uso di bioreattori in concomitanza con avanzati modelli tumorali 3D, potrebbe diventare fondamentale per capire meglio la biologia e i processi tumorali. Infine , in questa tesi viene suggerito che, i geni differenzialmente espressi tra la coltura cellulare in monostrato e quelli in ambiente tumorale, potrebbero risultare potenziali bersagli terapeutici studiabili tramite il modello di tumore qui proposto.