Engineering a metastasis-on-a-chip system towards studying cell invasion and drug efficacy in lung cancer

Abstract

O cancro é uma das patologias líder em morbilidade e mortalidade, sendo o cancro do pulmão o tipo de cancro com mais incidência e mortalidade, mundialmente. A causa subjacente a esta mortalidade e morbilidade dos pacientes é a progressão cancerígena ou as metástases. De modo a alcançar diagnósticos clínicos precoces e precisos, é necessário desenvolver estratégias de deteção de biomarcadores cancerígenos bem como terapias direcionadas. Todavia, grande parte das terapias anticancerígenas desenvolvidas tendem a falhar aquando dos ensaios clínicos devido à falta de modelos in vitro replicativos do cenário in vivo, devido à carência de complexidade, de estímulos, relevância e equivalência fisiológica. Assim, tornam-se inadequados na previsão da eficácia terapêutica de compostos anticancerígenos. Portanto, é necessário desenvolver modelos biomimético tridimensionais (3D) das metástases de modo que repliquem verdadeiramente o microambiente tumoral bem como a vasculatura. Deste modo, microfluídica foi selecionada como a tecnologia ideal para atingir este fim visto que ultrapassa as limitações dos modelos tradicionais estáticos e possui características interessantes como a miniaturização, baixo-custo e controlabilidade sobre os estímulos impostos, num microdispositivo. O objetivo da presente tese foi desenvolver, otimizar e validar um dispositivo de microfluídica projetado para mimetizar a arquitetura tumoral bem como a vasculatura, um lung metastasis-on-a-chip. O sistema desenvolvido consiste em dois microcanais, um com células de cancro do pulmão dispostas tridimensionalmente, e outro canal adjacente endotelial de modo a mimetizar o vaso sanguíneo. A validação do dispositivo final foi feita através de estudos de atividade metabólica, de proliferação celular e de monitorização do sistema bem como a integridade da barreira endotelial, ao longo do tempo. Posteriormente, nanossistemas lipídicos foram introduzidos na plataforma e a sua capacidade de penetrar a cultura tumoral foi avaliada. Intravasamento e agressividade cancerígena também foi avaliada através de estudos fenotípicos e de monitorização da mobilidade celular. É esperado que o resultado final da presente tese assista no desenvolvimento terapêutico de nanoformulações que interrompam o processo metastático no cancro do pulmão. Os resultados também irão providenciar uma plataforma de testagem robusta de eficácia terapêutica e de estudos relevantes sobre o processo metastático e dos seus mecanismos de ação.

Cancer is one of the leading pathologies in morbidity and mortality worldwide, being lung cancer the type with highest incidence and mortality. The underlying cause of mortality and morbidity in patients is cancer progression or metastasis. To achieve earlier and more accurate diagnosis in the clinic and to make better therapeutic decisions, it is necessary to engineer new tools for biomarker detection as well as to develop new targeted treatments. However, most newly developed anticancer therapies fail during clinical trials due to the lack of in vitro models that faithfully replicate the in vivo scenario, given their lack of complexity, stimuli, relevance, and physiologic equivalence. Hence, these in vitro models become inadequate to predict the therapeutic efficacy of anticancer compounds. As such, it is necessary to develop biomimetic three-dimensional (3D) models of metastasis that truthfully replicate the tumoral microenvironment as well as its vasculature. Thus, microfluidics was selected as the ideal technology to accomplish this end, given that it overcomes the limitations of traditional static models and has interesting characteristics including miniaturization, cost-effectiveness, and stimuli control, all in one microdevice. The main aim of this thesis was to develop, optimize and validate a microfluidic device to mimic the tumoral architecture and its vasculature in lung cancer, a lung metastasis-on-a-chip. The system developed consists of two microchannels, one displaying a 3D lung cancer cell culture, and an adjacent endothelial channel mimicking a blood vessel. The validation of the device was accomplished through metabolic activity studies, proliferation assessments, and monitoring the platform and endothelial barrier integrity over time. Afterwards, lipidic nanosystems were introduced in the platform and their capacity to penetrate into the tumour culture was assessed. Intravasation and cancer cell aggressiveness was also evaluated through phenotypic studies as well as cell motility monitorization. It is expected that the final result from this thesis assists in the development of therapeutic nanoformulations tailored to interrupt the metastatic process in lung cancer. The results will also provide a robust testing platform for the assessment of therapeutic efficacy, and to perform relevant studies to better understand the metastatic process and its mechanisms of action.