Da decenni la ricerca oncologica impiega modelli tumorali in vitro per studiare specifici comportamenti di alcune tipologie di tumori, come la crescita, l’invasività e la risposta ai farmaci. Questi strumenti, sebbene permettano di ottenere previsioni meccanicistiche rilevanti, sono soggetti ad artefatti che ne limitano le prestazioni. Grazie al progresso dell’ingegneria dei tessuti, i ricercatori in questo settore stanno sperimentando tecnologie in grado di superare tali barriere.
Ricerca oncologica: a che punto siamo?
Il repentino avanzamento tecnologico dei biomateriali, la bio-fabbricazione e l’uso sempre più frequente dei sistemi di coltura tridimensionali (3D) hanno permesso di influenzare la ricerca di base, fino ad oggi consolidata sull’utilizzo di sistemi bidimensionali (2D).
Infatti, la ricerca in campo oncologico ha di recente sviluppato modelli in vitro 3D basati su tecnologie d’avanguardia, come gli organoidi ed i tumor-on-a-chip, già trattati nel nostro portale, per ricostruire l’interazione del tumore con il micro-ambiente circostante e, quindi, determinare i processi complessi alla base dello sviluppo delle neoplasie.
Tra questi, gli sferoidi tumorali , aggregati cellulari capaci di riprodurre il comportamento di cellule tumorali e micro-tumori, vanno per la maggiore (Figura 1). Tuttavia, questi complessi cellulari presentano dei limiti operativi quando impiegati per valutare la risposta ad un farmaco.
L’esperimento: uno studio proof-of-principle
In questo panorama si inserisce lo studio di un gruppo di ricerca che, contestualmente all’avanzamento di indagini sul neuroblastoma, ha proposto la fabbricazione di modelli tumorali 3D sfruttando il drop-on-demand (DOD), una tecnica di 3D-bioprinting a getto d’inchiostro con cui le goccioline vengono emesse dalla testina di stampa ogni qual volta venga richiesto.
In questo lavoro a prova di principio, che vede coinvolti diversi centri di ricerca europei – tra cui l’Istituto di Ricerca Pediatrica “Città della Speranza” di Padova – è stato scelto come inchiostro un idrogelo autorigenerante basato su collagene di tipo 1, proteina presente in grosse quantità nel neuroblastoma.
Il Drop-on-Demand per la bio-fabbricazione 3D
Diversamente da altre tipologie di bioprinting, il DOD permette la stampa di strutture biologiche complesse di grosse dimensioni, supportando inchiostri molto viscosi. Al tempo stesso, questa tecnica non comporta alte temperature, evitando che le molecole prodotte si deteriorino durante la stampa. Queste caratteristiche lo rendono quindi particolarmente adatto alle applicazioni biomediche.
Come prima cosa, gli scienziati hanno progettato il modello 3D in CAD, come in Figura 2.
Il tessuto che caratterizza il neuroblastoma è costituito non solo da cellule malate, ma anche da una matrice circostante di stroma. Pertanto il modello proposto comprende tre elementi: le cellule tumorali, i vasi sanguigni e le cellule dello stroma.
L’idrogelo così prodotto è stato quindi arricchito con altri tipi cellulari, come:
- Cellule staminali mesenchimali (MSC)
- Cellule primarie estratte dal cordone ombelicale (HUVEC)
- Cellule di linea del neuroblastoma (SH-SY5Y)
Il modello indagine di studio è stato confrontato con un modello di controllo contenente la stessa percentuale di cellule staminali, inserite però all’interno di una matrice non bio-stampabile.
L’ idrogelo bio-stampabile replica l’ambiente tumorale
Dopo la stampa, i modelli tumorali ingegnerizzati hanno mostrato l’organizzazione tessutale tipica del neuroblastoma agli stadi iniziali, ovvero, le rosette di Homer-Wright, costituite da ammassi tumorali aggregati intorno ad una regione centrale.
In aggiunta, questi modelli hanno prodotto, a livello dello stroma, una matrice elastica dalle proprietà contrattili.
Questo sistema 3D innovativo, quindi, non solo si è rivelato in grado di replicare il comportamento delle cellule del neuroblastoma, ma di riprodurne tutto il micro-ambiente.
L’espressione della vimentina nei tumori solidi
I modelli sono stati testati anche dal punto di vista dell’espressione della vimentina, una proteina strutturale presente nel citoscheletro delle cellule in valutazione e che fa parte dei filamenti intermedi imputati al movimento cellulare. Questa è risultata essere prodotta in grandi quantità nelle cellule maligne, ma non è mai risultata direttamente legata al neuroblastoma.
In questa fase, gli studiosi hanno osservato la produzione di matrici ricche di vimentina nei modelli bio-stampati, fenomeno supportato dalla presenza di cellule MSC all’interno della matrice. I modelli contenenti vimentina distribuita corrispondono ad un fenotipo tumorale aggressivo.
Vascolarizzazione e modelli tumorali: una sfida aperta
In questo studio, la formazione dei vasi è stata indagata mediante coltura simultanea nello stesso ambiente (co-coltura) di cellule staminali a pluripotenza indotta (iPSC) e cellule del neuroblastoma (SH-SY5Y). Lo scopo era quello di valutare come le cellule tumorali interagissero con il micro-ambiente formato da HUVEC, MSC o combinazioni di queste.
Tramite analisi al microscopio a fluorescenza dei filamenti di actina citoscheletrica, è emerso che la formazione delle fibre risulta evidente in entrambi gli idrogeli in presenza di MSC (Figura 3), sebbene non sia emersa vascolarizzazione in nessuno dei modelli in esame.
Questo risultato potrebbe essere attribuibile alla scarsa quantità di cellule in modelli così miniaturizzati. Pertanto, per i futuri studi, il gruppo di ricerca disegnerà un modello meno complesso, in cui le cellule tumorali vengono inserite solo dopo la formazione dei vasi.
Conclusioni e sviluppi futuri
Durante lo sviluppo di un modello per studi avanzati sul neuroblastoma, un team di ricerca ha scoperto un bio-inchiostro che riproduce il micro-ambiente tumorale, implementando una particolare tecnica di bioprinting tridimensionale, il drop-on-demand.
Nonostante le buone capacità autoproliferative dell’idrogelo prodotto, la formazione dei vasi resta un aspetto da approfondire. Per quanto perfezionabile, il modello tumorale sviluppato rappresenta una tecnica d’avanguardia per generare tumoroidi 3D in modo uniforme e continuo.
Infine, progettando il modello con cellule primarie derivate da paziente, questo ha margine di utilizzo nella medicina di precisione per testare la risposta del neuroblastoma ai farmaci.
Fonti e approfondimenti:
- Molecular Devices – Applicazioni degli sferoidi per la ricerca oncologica e lo screening di farmaci
- National Library of Medicine – Exploring Cancer Cell Behavior In Vitro in Three-Dimensional Multicellular Bioprintable Collagen-Based Hydrogels
- EMC Elettronica – La stampa tridimensionale di tessuti biologici e organi
- Osservatorio Terapie Avanzate – Cos’è un organoide e cosa non lo è?
- Molecular devices – Applicazioni degli organoidi per la ricerca oncologica e lo screening di farmaci
