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An Innovative Bio-Engineered 3D Interface Model for the Study of Cancer Metastasis

Mansoureh Mohseni Garakani

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Metastatic cancers and their microenvironments are complex and highly heterogeneous in nature, show large patient variability, and are usually difficult to treat with therapeutic agents due to chemoresistance. Such complexity in the cellular component of the tumor microenvironment is intensified by the relations between metastatic cancer cells and stromal cells, affecting their sensitivity/resistance to anti-cancer therapeutic drugs, and it is complicated to recapitulate. Current standard chemotherapeutics are not effective for every patient and are typically accompanied with severe side effects; thus, identifying new patient-specific therapeutics is a main focus of research into metastatic cancer, to move towards the goal of personalized therapies and to enhance quality of life for patients. However, achieving this remains a major challenge owing to the current state of non-physiological in vitro culture platforms: Currently, drug testing is mainly performed on conventional 2D models that cannot represent critical cell-cell and cell-extracellular matrix (ECM) interactions, which play essential roles in tumorigenesis and tumor progression. Therefore, more complex, and physiologically more relevant in vitro 3D models mimicking human cancer microenvironment could considerably help in the development of new chemotherapeutics for personalized treatments. Many advanced and promising 3D cancer models have been proposed in recent years to simulate tumor heterogeneity and then been applied in drug discovery and testing. Nevertheless, few of these models have been designed based on separate stroma and tumor compartments, particularly ones with different mechanical characteristics mimicking soft-hard tissues interfaces as in natural tumor microenvironments. In this PhD research, a novel 3D in vitro co-culture model (named “PP-3D-S”, for “Plasma Polymerized 3-Dimensional Scaffold”) was developed for such personalized chemotherapeutic screening; it is customizable, reproducible, cost-effective, and user-friendly, far more so than existing commercial products such as Matrigel®. It can represent a 3D interface model of normal tissue-tumor microenvironment; PP-3D-S is generated by combining (A) an electric discharge plasma-treated electrospun nanofibrous polymer (often polylactic acid – PLA) scaffold that is pre-seeded with human osteoblasts or fibroblasts as stromal cells; and (B) an alginate/gelatin-based hydrogel overlayer on (A) that is embedded with either (for example human breast-) cancer cell lines with different aggressivity, or patient-derived (e.g. bone-metastasized) cancer cells, tocreate a physiologically realistic 3D system representing a stroma-tumor tissue interface. This model is applied as a migration assay tool and enables quantifying migration and chemotherapeutic response of different immortalized or patient-derived cancer cells towards a stromal compartment. The PP-3D-S model can be tailored to target various tissue and cancer types, through altering the biophysical and mechanical properties of the polymer, scaffold morphology, and hydrogel composition. The 3D hybrid model was characterized for optimal plasma treatment types, polymer materials, and scaffolds morphology including fiber diameter and pore size. It was found that plasma-modified PLA mats, but also polyurethane (PU) and polycaprolactone (PCL), considerably improved initial cell adhesion and growth compared with non-treated controls. Plasma treatments including plasma functionalization and low- and atmospheric pressure plasma polymerization were shown to greatly stimulate the adhesion, proliferation, migration, and invasion of tumor cells. Moreover, significant differences in tumor cell migration between small-sized (fiber diameter) and either medium- or large-sized scaffolds were observed for all treated and untreated mats. The impact of two different chemotherapeutic drugs, Doxorubicin (Dox) and Cisplatin (Cis), on migration and metabolic activity of patient cancer cells and their immortalised cell line counterparts was assessed. It was found different migratory behaviors, with IC50 values that were mostly in accordance with expected cell characteristics. Both Dox and Cis were found to be able to reduce metabolic activities and to block migration, but higher efficiency (or lower IC50) was observed with Dox. In addition, in two different sets of Dox screening tests, PP-3D-S performance was compared with that of Matrigel® in migration assays after exposure to varying Dox dosages, with very similar numerical outcomes. Taken altogether, these data indicate that PP-3D-S is an effective 3D tumor (migration) model, suitable in drug screening for personalized therapies in metastatic cancer treatment. Keywords: 3D Co-culture system, Nanofibrous scaffolds, Plasma surface treatment, Interface tissue models, Drug screening, Breast cancer, Bone metastasis, Personalized medicine.

Résumé

Les cancers métastatiques et leurs microenvironnements sont de nature complexe et très hétérogènes, présentent une grande variabilité entre les patients et sont généralement difficiles à traiter avec des agents thérapeutiques en raison de la chimiorésistance. Une telle complexité dans la composante cellulaire du microenvironnement tumoral est intensifiée par les relations entre les cellules cancéreuses métastatiques et les cellules stromales, affectant leur sensibilité/résistance aux médicaments thérapeutiques anticancéreux, et il est compliqué de la récapituler. Les chimiothérapies standards actuelles ne sont pas efficaces pour tous les patients et s'accompagnent généralement d'effets secondaires graves. Ainsi, l'identification de nouvelles thérapeutiques spécifiques au patient est un axe majeur de la recherche sur le cancer métastatique, pour tendre vers l'objectif de thérapies personnalisées et améliorer la qualité de vie des patients. Cependant, y parvenir reste un défi majeur en raison de l'état actuel des plateformes de culture in vitro non physiologiques. Actuellement, les tests de médicaments sont principalement effectués sur des modèles 2D conventionnels qui ne peuvent pas représenter les interactions critiques cellule-cellule et cellule-matrice extracellulaire, qui jouent un rôle essentiel dans la tumorigènes et la progression tumorale. Par conséquent, des modèles 3D in vitro plus complexes et physiologiquement plus pertinents imitant le microenvironnement du cancer humain pourraient considérablement aider au développement de nouvelles chimiothérapies pour des traitements personnalisés. De nombreux modèles de cancer 3D avancés et prometteurs ont été proposés ces dernières années pour simuler l'hétérogénéité tumorale, et ont été appliqués à la découverte et aux tests de médicaments. Néanmoins, peu de ces modèles ont été conçus sur la base de compartiments séparés du stroma et de la tumeur, en particulier ceux avec des caractéristiques mécaniques différentes imitant les interfaces des tissus mous-durs comme dans les microenvironnements tumoraux naturels. Dans cette recherche doctorale, un nouveau modèle de co-culture in vitro 3D (nommé « PP-3D-S, pour « Plasma Polymerized 3-Dimensional Scaffold ») a été développé pour un tel dépistagechimiothérapeutique personnalisé ; il est personnalisable, reproductible, rentable et convivial, bien plus que les produits commerciaux existants tels que Matrigel®. Il peut représenter un modèle d'interface 3D du microenvironnement tissu-tumeur normal. Le PP-3D-S est généré encombinant (A) un échafaudage de polymère nanofibreux électrofilé traité par décharge électrique (souvent de l'acide polylactique - APL) qui est pré-ensemencé avec des ostéoblastes ou des fibroblastes humains en tant que cellules stromales ; et (B) une surcouche d'hydrogel à base d'alginate/gélatine sur (A) qui est incorporée avec des lignées cellulaires cancéreuses (par exemple du cancer du sein humain) avec une agressivité différente, ou des cellules cancéreuses dérivées du patient (par exemple des cellules métastasées osseuses), pour créer un système 3D physiologiquement réaliste représentant une interface tissulaire stroma-tumeur. Ce modèle est appliqué comme outil d'essai de migration et permet de quantifier la migration et la réponse chimiothérapeutique de différentes cellules cancéreuses immortalisées ou dérivées de patients vers un compartiment stromal. Le modèle PP-3D-S peut être adapté pour cibler divers types de tissus et de cancers, en modifiant les propriétés biophysiques et mécaniques du polymère, la morphologie de l'échafaudage et la composition de l'hydrogel. Le modèle hybride 3D a été caractérisé pour les types de traitement au plasma optimaux, les matériaux polymères et la morphologie des échafaudages, y compris le diamètre des fibres et la taille des pores. Il a été constaté que les tapis de APL modifiés au plasma, mais aussi le polyuréthane et le polycaprolactone, amélioraient considérablement l'adhésion et la croissance cellulaires initiales par rapport aux témoins non traités. Il a été démontré que les traitements au plasma, y compris la fonctionnalisation au plasma et la polymérisation au plasma à basse pression et à pression atmosphérique, stimulent considérablement l'adhésion, la prolifération, la migration et l'invasion des cellules tumorales. De plus, des différences significatives dans la migration des cellules tumorales entre les échafaudages de petite taille (diamètre des fibres) et de taille moyenne ou grande ont été observées pour tous les tapis traités et non traités. L'impact de deux médicaments chimiothérapeutiques différents, la Doxorubicine (Dox) et le Cisplatine (Cis), sur la migration et l'activité métabolique des cellules cancéreuses des patients et de leurs homologues de lignées cellulaires immortalisées a été évalué. Différents comportements migratoires ont été trouvés, avec des valeurs de CI50 qui étaient pour la plupart conformes aux caractéristiques cellulaires attendue. Dox et Cis se sont révélés capables de réduire les activités métaboliques et de bloquer la migration, mais une efficacité plus élevée (ou une CI50 inférieure) a été observée avec Dox. De plus, dans deux ensembles différents de tests de dépistage de Dox, les performances du PP-3D-Sont été comparées à celles du Matrigel® dans les tests de migration après exposition à différentes doses de Dox, avec des résultats numériques très similaires. Dans l'ensemble, ces données indiquent que PP-3D-S est un modèle de tumeur (migration) 3D efficace, adapté au dépistage de médicaments pour des thérapies personnalisées dans le traitement du cancer métastatique. Mots-clés : Système de co-culture 3D, Échafaudages nanofibreux, Traitement de surface plasmatique, Modèles tissulaires d'interface, Dépistage de médicaments, Cancer du sein, Métastase osseuse, Médecine personnalisée

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Abdellah Ajji, Michael R. Wertheimer and Derek Rosenzweig
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10343/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:54
Last Modified: 07 Apr 2024 08:09
Cite in APA 7: Mohseni Garakani, M. (2022). An Innovative Bio-Engineered 3D Interface Model for the Study of Cancer Metastasis [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10343/

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