Microbioreactor platforms as in-vivo like systems to probe the role of Neuroblastoma derived EVs in cancer dissemination

Microfluidics, a technology characterized by the engineered manipulation of fluids at the submillimeter scale, has shown considerable promise for improving diagnostics and biology research. Specific properties of microfluidic technologies, such as rapid sample processing and precise control of fluid in an assay, elected them as attractive candidates to replace conventional experimental methods in biological sciences. Microbioreactors (μBRs) are thus an important tool for obtaining an accurate control of cultured cells and tissues. Neuroblastoma (NB) is a childhood solid tumor originating from progenitor cells of the sympathetic nervous system. A key feature of NB is its ability to communicate with nearby cells as well as with distant organs. The tumor microenvironment is fundamental to regulate this communication, and Extracellular Vesicles (EVs) seems to play a key role in controlling tumor progression and metastasis. The effect of NB-derived EVs could be studied through the adoption of advanced technologies. Through the ad hoc design and development of microscale platforms, the aim of this work is to provide different devices to be used in experiments focused on decoding the role of EVs and better recreating NB cancer microenvironment in activating and maintaining aggressive tumor phenotypes. In this works, 4 different microfluidic platforms were produced and optimized for studying different aspects of the main problem. The first is a micro-gradient generator to test the effect of different EVs concentrations on 2D target cells cultures identifying variations in expression of specific tumoral markers. Then, a device to study cancer cells migration with a single cell resolution, also confirming that internalization of NB-derived EVs increase cancer cells motility towards target tissues. For the third device, Additive Manufacturing and Injection Molding are selected as excellent technological alternatives to traditional techniques for producing micro devices in terms of costs reduction, low processing times, and increase of replicas produced. The device will enable future integrated studies of multiple aspects of metastatic microenvironments. The last is an automated Tumor-on-a-chip platform, successful in allowing simultaneous culture of different viable and physiologically active cell populations constituting the main tumor and its metastatic target sites. These devices will enable integrated studies of multiple aspects of metastatic microenvironments with a high level of control and experimental flexibility.

La microfluidica, una tecnologia caratterizzata dalla manipolazione ingegneristica di fluidi su scala submillimetrica, ha mostrato notevoli promesse per migliorare la diagnostica e la ricerca biologica. Le proprietà specifiche delle tecnologie microfluidiche, come la rapidità di elaborazione dei campioni e il controllo preciso dei fluidi in un saggio, le hanno elette come candidati interessanti per sostituire i metodi sperimentali convenzionali nelle scienze biologiche. I microbioreattori (μBR) sono quindi uno strumento importante per ottenere un controllo accurato di cellule e tessuti in coltura. Il neuroblastoma (NB) è un tumore solido infantile che origina da cellule progenitrici del sistema nervoso simpatico. Una caratteristica fondamentale del NB è la sua capacità di comunicare con le cellule vicine e con gli organi distanti. Il microambiente tumorale è fondamentale per regolare questa comunicazione e le vescicole extracellulari (EVs) sembrano svolgere un ruolo chiave nel controllare la progressione del tumore e le metastasi. L'effetto delle EVs derivate da NB potrebbe essere studiato attraverso l'adozione di tecnologie avanzate. Attraverso la progettazione e lo sviluppo ad hoc di piattaforme in microscala, l'obiettivo di questo lavoro è quello di fornire diversi dispositivi da utilizzare in esperimenti mirati a decodificare il ruolo delle EVs e a ricreare meglio il microambiente del tumore del NB nell'attivazione e nel mantenimento di fenotipi tumorali aggressivi. In questo lavoro, sono state prodotte e ottimizzate 4 diverse piattaforme microfluidiche per studiare diversi aspetti del problema principale. La prima è un generatore di microgradienti per testare l'effetto di diverse concentrazioni di EVs su colture 2D di cellule bersaglio, identificando le variazioni nell'espressione di specifici marcatori tumorali. Poi, un dispositivo per studiare la migrazione delle cellule tumorali con una risoluzione a livello di singola cellula, confermando anche che l'internalizzazione di EVs derivate da NB aumenta la motilità delle cellule tumorali verso i tessuti bersaglio. Per il terzo dispositivo, l'Additive Manufacturing e l'Injection Molding sono stati selezionati come eccellenti alternative tecnologiche alle tecniche tradizionali per la produzione di microdispositivi in termini di riduzione dei costi, bassi tempi di lavorazione e aumento delle repliche prodotte. Il dispositivo consentirà in futuro studi integrati di molteplici aspetti dei microambienti metastatici. L'ultimo è una piattaforma automatizzata Tumor-on-a-chip, che consente la coltura simultanea di diverse popolazioni cellulari vitali e fisiologicamente attive che costituiscono il tumore principale e i suoi siti bersaglio metastatici. Questi dispositivi consentiranno studi integrati di molteplici aspetti dei microambienti metastatici con un elevato livello di controllo e flessibilità sperimentale.