ETD

• 3D tumor models
• cancer-on-a-chip
• microfluidics
• precision medicine
• sinonasal cancers
• tumor microenvironment

This PhD project focused on developing advanced in vitro tumor models to overcome the limitations of conventional culture systems in reproducing the complexity of human solid tumors. The aim was to engineer physiologically relevant models capable of replicating key features of the tumor microenvironment, enabling patient-specific approaches for precision medicine. Special attention was given to rare and aggressive sinonasal (SN) cancers. SN osteosarcoma (KHOS) was cultured in mono-, co-, and tri-culture systems with mesenchymal stromal cells (MSCs) and endothelial cells (HUVECs). Models progressively transitioned from 2D to 3D systems, including spheroids and PVA/gelatin porous scaffolds, with the evaluation of different chemotherapeutic agents. Tri-culture PVA/gelatin constructs emerged as the most biomimetic model, showing increased viability and chemoresistance. Additional SN tumor types (ITAC, NC4, TCS627) were studied in PVA/gelatin 3D scaffolds, demonstrating improved differentiation and tumor-specific gene expression compared to 2D counterparts. Finally, SN cancer constructs were integrated into a dynamic microfluidic cancer-on-a-chip platform to replicate physiological stimuli. Dynamic cultures showed higher predictive performance than static cultures, with perfusion optimized for tissue-specific environments. The platform was further extended to hypopharynx, lung, pancreas, colon, and bone cancers, all displaying native-like behavior. Overall, this work shows the transition from 2D systems to advanced 3D biomimetic tumor models. The microfluidic platform proved to be the most versatile and effective microphysiological system for tumor modeling and preclinical drug screening, enabling predictive, patient-specific strategies in precision oncology.

Il presente progetto di dottorato ha sviluppato modelli tumorali in vitro avanzati per superare i limiti dei sistemi di coltura convenzionali nel riprodurre la complessità dei tumori solidi umani. L’obiettivo è stato quello di realizzare modelli fisiologicamente rilevanti capaci di replicare le principali caratteristiche del microambiente tumorale, favorendo approcci paziente-specifici nell’ambito della medicina di precisione. Particolare attenzione è stata dedicata ai tumori nasosinusali (SN), neoplasie rare e altamente aggressive. L’osteosarcoma SN (KHOS) è stato coltivato in mono-, co- e tri-coltura con cellule MSC e HUVEC. I modelli sono stati trasferiti da sistemi 2D a 3D, inclusi sferoidi e scaffold porosi in PVA/gelatina, con valutazione di diversi agenti chemioterapici. I costrutti in PVA/gelatina in tricoltura sono emersi come il modello più biomimetico, mostrando aumento di vitalità e chemoresistenza. Altri tumori SN (ITAC, NC4, TCS627) sono stati studiati su scaffold 3D in PVA/gelatina, con differenziamento ed espressione genica più efficace rispetto alla controparte 2D. Successivamente, i costrutti tumorali analizzati sono stati integrati in una piattaforma microfluidica cancer-on-a-chip, al fine di riprodurre stimoli fisiologicamente rilevanti. Le colture dinamiche hanno mostrato una maggiore capacità predittiva rispetto alle colture statiche. La piattaforma è stata infine estesa a tumori di ipofaringe, polmone, pancreas, colon e osso, confermandone la versatilità. Nel complesso, questo lavoro mostra la transizione da sistemi 2D a modelli tumorali 3D biomimetici avanzati. La piattaforma microfluidica si è dimostrata il sistema microfisiologico più versatile ed efficace per modellazione tumorale e screening preclinico di farmaci, consentendo strategie predittive e paziente-specifiche per l’oncologia di precisione.