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PROGETTO SCAFFOLD 3D

Studio dell'interazione tra le cellule del midollo osseo e le cellule tumorali del cancro alla mammella in piattaforme tridimensionali di collagene: nicchia pre/metastatica

Nel campo dell'oncologia è noto che il “microambiente” del tessuto dove si sviluppa un tumore svolge un ruolo fondamentale nel determinarne la progressione, la formazione di metastasi e la resistenza alle terapie. Quando una cellula è diventata tumorale, infatti, può dimostrarsi più o meno invasiva, ciò dipende sia dalla natura della cellula, sia dalla sede in cui si trova. Tra i molti aspetti dei rapporti tra il tumore e il microambiente in cui si sviluppa, due sono di particolare importanza.

  • In primo luogo, quando il tumore ha raggiunto una certa dimensione, per crescere ulteriormente ha bisogno di nutrirsi. L’apporto di sangue, che normalmente serve a nutrire i tessuti normali, non è più sufficiente per il tumore e questo, in molti casi, perirebbe a tutto vantaggio dell’organismo che lo ospita, se non avesse esso stesso la capacità di indurre la formazione di nuovi vasi sanguigni (neoangiogenesi) a suo uso e consumo.
  • In secondo luogo, la cellula tumorale talvolta possiede, oppure acquisisce successivamente, la straordinaria capacità di migrare altrove o attraverso i vasi linfatici normalmente presenti nei dintorni, o addirittura attraversando la sottile parete di un capillare. Una volta passata nel circolo sanguigno, la cellula tumorale può anche uscirne, attraversando nuovamente un capillare, e formando poi una vera e propria colonia, anche in sede molto distante da quella di origine. È così che una cellula di un tumore del colon può formare una colonia nel fegato, o una cellula di un tumore polmonare nel cervello. È questo il fenomeno della metastasi, comprensibilmente l’evoluzione più temuta dello sviluppo di un tumore.

Proprio come al cinema

La coltura cellulare nei laboratori si sta spostando dal 2D al 3D.

Le procedure standard (2D) impiegate in laboratorio per l’isolamento e lo studio delle cellule tumorali, tuttavia, non consentono la riproduzione delle proprietà biologiche e fisiche del microambiente tumorale, portando le cellule a perdere la maggior parte delle loro caratteristiche rilevanti. Le cellule non vivono in mondo a due dimensioni ma in complessi tessuti a tre dimensioni, interagiscono, inviano segnali, influenzano la crescita delle altre cellule. Hanno un vicinato e, come tutti sappiamo, il nostro quartiere può decidere chi siamo: la vita è a tre dimensioni.

Tutto questo può in parte spiegare le discrepanze tra i dati preclinici, ottenuti nei laboratori, e i dati clinici, osservati nei pazienti. 

I progressi dell’ingegneria dei tessuti hanno portato alla progettazione di sistemi di coltura basati su supporti tridimensionali (scaffold 3D) biomimetici, che riproducono gli stimoli biofisici dei tessuti naturali.

In particolare, il tessuto connettivale della mammella è ricco di collagene interstiziale e le cellule di carcinoma mammario esprimono diversi recettori e molecole di adesione per questa matrice. Tale ambiente influenza il fenotipo delle cellule tumorali, impattando sul loro comportamento biologico e sulla risposta alle terapie. L'applicazione di scaffold 3D a base di collagene rappresenta dunque un modello promettente per studiare in laboratorio le cellule di carcinoma della mammella, permettendo alle cellule stesse di mantenere quelle caratteristiche fondamentali dei tumori che si sviluppano nei pazienti, aumentando il potere predittivo degli studi di laboratorio.

In questo progetto, della durata di tre anni e finanziato dall’Istituto Oncologico Romagnolo nei Laboratori dell’IRST IRCCS di Meldola, si propone l'applicazione di scaffolds 3D a base di collagene per riprodurre in laboratorio le proprietà patologicamente rilevanti del microambiente del carcinoma della mammella. 

Effettuando un confronto multiplo di culture standard, culture su scaffold 3D e campioni di pazienti, i ricercatori si aspettano di dimostrare che le caratteristiche delle cellule tumorali di carcinoma della mammella presenti nei pazienti e la loro sensibilità ai farmaci possano essere efficacemente riprodotte nel modello 3D.

Ricercatori IRST IRCCS coinvolti nel progetto

Presso Centro di Osteoncologia e Tumori Rari IRST: dott.ssa Chiara Liverani, dott.ssa Laura Mercatali (Co-PrincipaI Investigator), dott. Toni Ibrahim (Principal Investigator, Coordinatore del progetto; presso Department of Nanomedicine, The Houston Methodist Research Institute: dott. Alessandro De Vita (il dott. De Vita e la dott.ssa Liverani si alterneranno presso il Centro USA). 

Toni Ibrahim

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Laura Mercatali

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In caso di successo questo approccio introdurrà progressi negli studi di laboratorio, in particolare assicurando una migliore definizione dell’efficacia delle terapie studiate, consentendo di traslare in maniera più precisa i risultati di laboratorio in clinica. Inoltre, un’identificazione più accurata delle caratteristiche delle cellule tumorali potrà consentire l’individuazione di cosiddetti “marcatori tumorali”, che sono molecole, proteine o acidi nucleici presenti nel sangue o nei tessuti indicatori di uno stato patologico. Tali marcatori potranno aiutare il medico nella definizione di diagnosi e prognosi delle pazienti con carcinoma della mammella.

Meldola - USA

Il progetto è realizzato in collaborazione con il dipartimento di Nanomedicina del Methodist Hospital Research Institute. Questo centro di ricerca con sede a Houston è diretto dal Prof. Mauro Ferrari ed è all’avanguardia nello sviluppo e nell’applicazione in campo medico di sistemi nanotecnologici.

Questi sistemi, realizzati con materiale di dimensione estremamente piccola, sono in grado di fornire aiuto per molti aspetti della medicina fra cui la veicolazione dei farmaci e la rigenerazione dei tessuti; inoltre costituiscono dei validi supporti in grado di aiutare il ricercatore nello studio dei processi biologici coinvolti in alcune patologie fra cui il cancro. 

Per lo svolgimento di questa collaborazione, la Dott.ssa Chiara Liverani, giovane ricercatrice IRST IRCCS, ha trascorso 6 mesi presso i laboratori del Prof. Mauro Ferrari e del Dott. Ennio Tasciotti.

I primi risultati

L’applicazione degli scaffold 3D per lo studio delle cellule di carcinoma della mammella ci ha permesso di dimostrare che, in un microambiente più simile a quello reale, le cellule tumorali mantengono profili di crescita quasi identici a quelli che si osservano in vivo, mentre nei supporti standard la curva di crescita delle cellule è fortemente alterata.

Inoltre, l’impiego di questi supporti 3D consente alle cellule tumorali di dimostrare il loro potere invasivo e migratorio, permettendoci di distinguere cellule molto aggressive da quelle meno “cattive”. Lo studio delle caratteristiche di queste cellule più aggressive ci ha anche permesso di individuare un possibile marcatore tumorale in una casistica di pazienti con carcinoma della mammella. Abbiamo, infatti, osservato che, quando i livelli di questo marcatore sono più alti, il tumore è più aggressivo e questo ci potrà aiutare nell’identificazione di pazienti più a rischio di ricaduta.

Infine, anche la risposta ai farmaci ottenuta sugli scaffold 3D è più simile a quella che si osserva in vivo, rispetto ai dati che si ottengono nei supporti standard, consentendoci di valutare con più precisione l’effetto dei farmaci e delle loro dosi.

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