Tissue engineered in vitro models on a chip for cancer research

Abstract

By 2030, the global burden is expected to grow to 21.7 million new cancer cases and 13 million cancer deaths simply due to the growth and aging of the population. Among all types of cancer, colorectal cancer is a major cause of morbidity and mortality worldwide, and accounts for over 9 % of all cancer incidence. It is the third most common cancer worldwide and affects men and women equally. In order to win the battle against cancer, further advances are in great need to unveil identification of cancer-causing agents in in vitro and in vivo animal models, as well as for the development of personalized therapies, drug screening, and to provide insightful knowledge on the mechanisms of tumor growth and metastasis. Microfluidic devices, together with tissue engineering strategies and nanotechnology have emerged as a powerful platform to tackle the previously mentioned hurdles. These themes are the focus of Section 1, in Chapters I, II and III. In this thesis we focus on the application of CMCht/PAMAM dendrimer nanoparticles.as the synthesis, uptake efficiency/internalization and cytotoxic effect of fluorescent-labeled CMCht/PAMAM dendrimer nanoparticles was investigated using different cancer cell lines in both traditional culture flasks and under physiological flow inside a microfluidic platform (Chapter V). Other than nanoparticles, the use of different biomaterials to modulate 3D microenvironment of tumors is of the utmost importance. Therefore, the use of HRP-crosslinked SF hydrogels with spatial tunable properties was proposed in a colorectal cancer extravasation 3D model on a commercial chip Vena4™ (Chapter VI). To increase the complexity of the cancer models, a microfluidic chip was designed and fabricated for the incorporation of tumor and vascular parts, allowing for gradients of gemcitabine released from CMCht/PAMAM nanoparticles to be tested (Chapter VII). Chemical modification in the CMCht/PAMAM dendrimer nanoparticles in order to target colorectal cancer was also achieved in Chapter VIII. In Chapter IX, a new proof of concept consisting of a microfluidic silk platform, flexible and implantable, was developed in house. The results and platforms developed in this thesis are discussed in Chapter X and represent a strong advance in the field of lab-on-chip research and will be a useful tool for drug discovery and study of migration/metastasis phenomena, allowing for a versatile choice of tissues, biomaterials and biological assays.

Até 2030, o número global de novos casos de cancro deverá crescer para 21,7 milhões, com cerca de 13 milhões de mortes, simplesmente devido ao crescimento e envelhecimento da população. Entre todos os tipos de cancro, o cancro colorretal é uma das principais causas de morbidade e mortalidade em todo o mundo, representando mais de 9 % entre todos os tipos de cancro. Com o objectivo de ganhar a guerra contra o cancro, novos avanços são rapidamente precisos, a fim de identificar, em modelos animais in vitro e in vivo os agentes causadores de cancro, bem como para o desenvolvimento de terapias personalizadas, teste de novos fármacos e aumentar o conhecimento actual sobre os mecanismos de crescimento tumoral e metástases. Dispositivos de microfluídica juntamente com estratégias de engenharia de tecidos e nanotecnologia surgiram como uma poderosa plataforma para lidar com os obstáculos mencionados anteriormente. Esses temas são o foco da Secção 1, nos Capítulos I, II e III. Nesta tese damos enfâse à aplicação de nanopartículas CMCht/PAMAM. A síntese, eficiência, internalização e efeito citotóxico das mesmas foram investigados usando diferentes linhas de células tumorais em frascos de cultura tradicionais e dentro de uma plataforma microfluídica (Capítulo V). Além das nanopartículas, o uso de diferentes biomateriais para modular o microambiente 3D de tumores é de extrema importância. Portanto, o uso de hidrogéis SF reticulados com HRP com propriedades mecânicas ajustáveis foi proposto num modelo 3D de extravasamento de cancro colorretal num chip comercial VenaT4™ (Capítulo VI). Para aumentar a complexidade dos modelos de cancro em chips, uma plataforma microfluídica foi projetada e fabricada para a incorporação de ambas as partes tumorais e vasculares, permitindo testar gradientes de gemcitabina libertados das nanopartículas CMCht/PAMAM (Capítulo VII). Modificações químicas nas nanopartículas para atingir especificamente células cancerígenas também foram alcançadas no Capítulo VIII. No Capítulo IX, uma nova prova de conceito consistindo numa plataforma microfluídica de seda, totalmente flexível e implantável, foi desenvolvida. Os resultados e plataformas desenvolvidos nesta tese representam um forte avanço no campo da investigação do cancro, e serão uma ferramenta útil para a descoberta de drogas e estudo de metastases, permitindo uma escolha versátil de tecidos, hidrogéis e ensaios biológicos.