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Appraisal of Surface Treatment to Steady Tumor Spheroid Formation On-Chip

Neda Azizipour

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Cancer is among the leading causes of death worldwide. Notwithstanding advancement in cancer therapies over the past years, median survival of patients with high-grade cancer is still very low due to late diagnosis, metastasis, drug resistance to standard treatments, etc. Failure to develop new drug candidates and personalized therapies to treat cancer and enhance patients survival rates has multiple reasons. However, one of the main reasons is the reliability of pre-clinical models used in drug development pipeline and cancer therapy to assess drug responses and their side effects in humans, which explains in part why anticancer drug candidates fail to carry out clinical approval more than they succeed. Various in vitro models have been developed to investigate cancer treatments. Two dimensions (2D) models using established cell lines are the most common and traditionally used in vitro methods in cancer research and drug discovery. However, 2D models lack the native and in vivo like cellular microenvironment as cells adhere to the cell culture surface (e.g. petri dishes, flasks) and grow flat in a monolayer under unrealistic conditions and therefore lose some of their natural functional characteristics. The natural manner in which tumors grow in vivo is three-dimensional (3D). Therefore, the most realistic model is using patient tumor cells growing in 3D to mimic the complex and physiologically relevant tumor microenvironment due to the ability of the cells to form cell-cell and cell-microenvironment interactions in 3D structures. Spheroids are spherical self-assembled cells aggregates, which are currently the most widely used 3D in vitro models in pre-clinical cancer researches aiming to overcome the insufficient predictive power associated with traditional 2D models. Spheroids are known for mimicking some of the important natural tumor characteristics, which offer a more reliable in vitro model to predict therapeutic responses in humans compared to 2D monolayers. Considering the crucial importance of accurate prediction of tumor responses to therapeutic agents for developing new anti-cancer therapies and personalize of existing therapeutic molecules, the lack of controllability of the size, shape and dense in conventional spheroid culture methods is challenging by reducing the precision and reliability of drug test results in spheroids. In recent years, microfluidic biochip platforms have received increasing attention to produce uniform spheroids under more physiologically meaningful conditions among various techniquesto produce spheroids. Most of the researches in microfluidic are focused on the platform's design. However, the biochip materials and its surface properties (e.g. wettability, chemistry, charge, and roughness) are as important as design to influence protein adsorption on the surface and consequently regulate cell adhesion to the surface, which can affect spheroid formation on-chip. In this dissertation, I have designed and fabricated an optimized microfluidic biochip to produce uniform and homogenous spheroid-on-a-chip models toward reliable in vitro drug testing. Here, I have evaluated the impact of surface modification on the quality and quantity of uniform spheroid formation on the PDMS microfluidic biochip. Surface optimization for MDA-MB-231 (a breast cancer cell line) has been presented in the article 1 in Chapter 4. In this work, I have experimentally assessed how surface wettability and microstructure can adjust uniformly sized and shaped spheroids on-chip. The optimized surface can effectively suppress cell adhesion to the PDMS surface and accordingly modulate the numbers and characteristics of the spheroids. In the article 2 presented in Chapter 5 by modification of the microfluidic design, I have assessed the impact of the design with optimized surface treatment on spheroid formation. In this work, I have successfully produced reproducible, compact, spherical forms and uniform-sized spheroids from various cancer cell lines and co-culture models of tumor cells and stromal cells. In the article 3 presented in Chapter 6 the spheroid-on-a-chip model developed on the optimized design and surface using cells from spine metastasis secondary to lung tumor patient cells, Lung tumor established cell line A549 and co-culture model of lung tumor cells A549 and stromal cells osteoblasts. Homogenous and uniform spheroids formed on this biochip platform. The reproducible drug test results confirm that this optimized microfluidic device has the potential to serve as a reliable in vitro tool for drug screening. In summary, this work highlights the importance of the design and surface properties of microfluidic biochip platforms as the two crucial parameters in producing uniform and homogenous spheroids for reproducible and repeatable drug tests for novel anti-cancer therapies and personalized medicine.

Résumé

Le cancer est l'une des principales causes de décès dans le monde. Malgré les progrès des thérapies anticancéreuses au cours des dernières années, la survie médiane des patients atteints d'un cancer de haut grade est encore très faible en raison du diagnostic tardif, des métastases, de la résistance aux médicaments au traitement standard, etc. L'incapacité à développer de nouveaux candidats médicaments et des thérapies personnalisées pour traiter le cancer et augmenter le taux de survie a plusieurs raisons, mais l'une des principales raisons est la fiabilité des modèles précliniques utilisés dans le pipeline de développement de médicaments et le traitement du cancer pour évaluer les réponses aux médicaments et leurs effets secondaires chez l' humain, ce qui explique en partie pourquoi les candidats médicaments anticancéreux échouent plus qu'ils ne réussissent à obtenir une approbation clinique. Divers modèles in vitro ont été développés pour étudier les traitements contre le cancer. La culture en monocouches bi-dimensionnelles (2D) utilisant des lignées cellulaires établies sont les méthodes in vitro les plus courantes et traditionnellement utilisées dans la recherche sur le cancer et la découverte de médicaments. Cependant, les modèles 2D manquent du microenvironnement cellulaire natif et in vivo, car les cellules adhèrent à la surface de la culture cellulaire (par exemple, boîtes de Pétri, flacons) et se développent à plat dans une monocouche dans des conditions irréalistes et perdent donc certaines de leurs caractéristiques fonctionnelles naturelles. La manière naturelle dont les tumeurs se développent in vivo est en trois dimensions (3D). Par conséquent, le modèle le plus réaliste utilise des cellules tumorales de patients qui se développent en 3D pour imiter le microenvironnement tumoral complexe et physiologiquement pertinent en raison de la capacité des cellules à former des interactions cellule-cellule et cellule-microenvironnement dans des structures 3D. Les sphéroïdes sont des agrégats de cellules sphériques auto-assemblées qui sont actuellement les modèles 3D in vitro les plus utilisés dans la recherche préclinique sur le cancer visant à pallier le pouvoir prédictif insuffisant associé aux modèles 2D traditionnels. Les sphéroïdes sont connus pour imiter certaines des caractéristiques tumorales naturelles importantes qui offrent un modèle in vitro plus fiable et sont des prédicteurs plus fiables des réponses thérapeutiques chez l'humain par rapport aux monocouches 2D. Compte tenu de l'importance cruciale de la prédiction précise des réponses tumorales aux agents thérapeutiques pour développer de nouvelles thérapies anticancéreuses et personnaliser les molécules thérapeutiques existantes, le manque de contrôlabilité de la taille, de la forme et de la densité dans les méthodes de culture sphéroïdales conventionnelles est difficile en réduisant la précision et fiabilité des résultats des tests de dépistage de drogue dans les sphéroïdes. Au cours des dernières années, les plates-formes des puces microfluidiques ont reçu une attention croissante pour produire des sphéroïdes uniformes dans des conditions plus physiologiques significatives parmi diverses techniques de production de sphéroïdes. La plupart des recherches en microfluidique se concentrent sur la conception de la plateforme, cependant le matériau des puces microfluidiques et ses propriétés de surface (par exemple, la mouillabilité, la chimie, la charge et la rugosité) sont aussi importants que la conception pour influencer l'adsorption des protéines sur la surface et par conséquent réguler l'adhésion cellulaire à la surface qui peut affecter la formation de sphéroïdes sur la puce. Dans cette thèse, j'ai conçu et fabriqué des puces microfluidiques optimisées pour produire un modèle sphéroïde sur puce uniforme et homogène vers des tests de médicaments in vitro fiables. Ici, j'ai évalué l'impact de la modification de surface sur la qualité et la quantité de formation de sphéroïdes uniformes sur des puces microfluidiques en PDMS. L'optimisation de surface pour la lignée cellulaire de cancer du sein MDA-MB-231 a été présentée dans l'article 1 du chapitre 4. Dans ce travail, j'ai évalué expérimentalement comment la mouillabilité et la microstructure de la surface peuvent affecter des sphéroïdes de taille et de forme uniformes sur la même conception microfluidique. La surface optimisée peut supprimer efficacement l'adhésion cellulaire à la surface du PDMS et moduler en conséquence le nombre et les caractéristiques des sphéroïdes. Dans l'article 2 présenté au chapitre 5 par modification du design microfluidique, j'ai évalué l'impact du design avec un traitement de surface optimisé sur la formation de sphéroïdes. Dans ce travail, j'ai pu former avec succès des formes reproductibles, compactes, sphériques et des sphéroïdes de taille uniforme à partir de diverses lignées de cellules cancéreuses et d'un modèle de co-culture de cellules tumorales et de cellules stromales. Dans l'article 3 présenté au chapitre 6, le modèle sphéroïde sur puce développé sur la conception et la surface optimisées à l'aide de cellules de métastases vertébrales secondaires à des cellules de patients atteints de tumeur pulmonaire, de la lignée cellulaire établie A549 de tumeur pulmonaire et d'un modèle de co-culture de tumeur pulmonaire les cellules A549 et les cellules stromales les ostéoblastes Qth212. Des sphéroïdes homogènes et uniformes se sont formés sur cette plateforme de biopuces. Les résultats reproductibles des tests de dépistage de drogue confirment que ce dispositif microfluidique optimisé a le potentiel de servir d'outil in vitro fiable pour le dépistage de drogue. En résumé, ce travail met en évidence l'importance de la conception de puces microfluidiques et des propriétés de la surface en tant que deux paramètres cruciaux dans la production de sphéroïdes uniformes et homogènes pour des tests de médicaments reproductibles et répétables pour de nouvelles thérapies anticancéreuses et la médecine personnalisée.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Abdellah Ajji, Mohamad Sawan and Derek Rosenzweig
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10341/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:57
Last Modified: 10 Oct 2023 09:36
Cite in APA 7: Azizipour, N. (2022). Appraisal of Surface Treatment to Steady Tumor Spheroid Formation On-Chip [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10341/

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