Manufacture of three-dimensional (3D) microcapsules through the use of multifunctional biomaterials

Abstract

Prostate cancer is one of the most commonly diagnosed malignancy and a leading cause of death among men worldwide. Currently, despite many advances in medicine, the current treatments for this neoplasia are mostly ineffective. The development of advanced in vitro disease models that can recapitulate human prostate tumors may revert this scenario by accelerating the pre-clinical discovery of new therapies which can realistically impact patients’ life span. Up to now, regulatory agencies recommend that anti-tumor drug screening should be performed in two-dimensional (2D) cell cultures for gathering preliminary pre-clinical data. However, these models fail to mimic key characteristics of in vivo human tumors including their spatial distribution, cell-cell contacts and nutrients/oxygen gradients. Moreover, these 2D models utterly fail to replicate tumors extracellular matrix (ECM) and cellular heterogeneity. These intrinsic limitations cause a number of false positive/negative results and provide a poor correlation with clinical trials data. To overcome these issues, in vitro 3D tumor models were proposed as valuable alternatives. Such platforms are able to reproduce various aspects of human solid tumors microenvironment, including gene expression patterns, 3D cell-cell interactions, necrotic core formation and drug resistance phenotypes. The research work developed within the scope of this dissertation describes the production of a novel 3D prostate cancer in vitro tumor model that mimics prostate cancer bone metastasis cellular heterogeneity and ECM microenvironment. The model is comprised of human prostate cancer cells (PC-3) and human osteoblasts, encapsulated in spheroidal-shaped hydrogel microparticles. Such cell-laden spheroidal microcapsules were assembled on a quasi-superhydrophobic surface by unitary droplet dispensing through U.V. mediated photocrosslinking of methacrylated hyaluronic acid and methacrylated gelatin blends. The obtained results show that spheroidal microtumors were reproducible in terms of morphology, size and number of encapsulated cells. The selected HA-MA/GelMA formulations present the deposition of calcium after 14 days, when compared to the monocultures, thus evidencing the importance of osteoblasts inclusion. The evaluation of cisplatin cytotoxicity in heterotypic co-cultures showed that 2.5% HA-MA-5% GelMA microgels have higher drug resistance than 5% HA-MA-5% GelMA Overall, the findings indicate that quasi SH are suitable for rapid, and solvent-free, manufacture of 3D prostate tumor in vitro models that may serve as testing platforms for the discovery of new therapies for prostate cancer

O cancro da próstata é um dos cancros mais diagnosticados e uma das principais causas de morte entre os homens a nível mundial. Atualmente, apesar de muitos avanços na medicina, os tratamentos desta neoplasia em estágio avançado são bastante ineficazes. O desenvolvimento de modelos in vitro que recapitulam os tumores da próstata humanos podem ajudar na descoberta de novas terapias e fármacos contribuindo assim para um aumento da expectativa de vida do paciente. Até à data, as agências reguladoras recomendam que o teste da eficácia de fármacos anti-tumorais a nível pré-clínico deve ser efetuado em culturas celulares bidimensionais (2D), no entanto, esses modelos não imitam as principais características dos tumores in vivo, tais como a sua distribuição espacial, interações célula-célula e gradientes de nutrientes/oxigénio. Além deste facto as culturas 2D não replicam os componentes da matriz extracelular tumoral (ECM) e a heterogeneidade celular tumoral. Estas limitações são responsáveis pela baixa correlação de resultados entre as culturas 2D in vitro e os dados obtidos em ensaios clínicos. Para superar essas questões, recentemente os modelos tumorais de cultura 3D in vitro têm sido investigados como alternativas valiosas. Estes modelos conseguem reproduzir vários aspetos do microambiente de tumores sólidos humanos, incluindo os seus padrões de expressão génica, interações 3D entre célula-célula, formação de núcleo necrótico e a intrínseca resistência aos fármacos. O trabalho de investigação desenvolvido no âmbito desta dissertação descreve a produção de um novo modelo tumoral 3D in vitro do cancro da próstata que mimetiza a heterogeneidade celular na metástase óssea do cancro da próstata bem como o microambiente da matriz extracelular. O modelo criado é composto por células humanas do cancro da próstata (PC-3) e osteoblastos humanos, encapsuladas em micro-hidrogéis com forma quasi-esférica. Estas microcápsulas, foram produzidas numa superfície quase super-hidrofóbica onde uma mistura de ácido hialurónico metacrilado, gelatina metacrilada, células cancerígenas e osteoblastos foram depositadas e reticuladas com luz U.V. Os resultados demonstram que os microtumores formados são reprodutíveis em termos de morfologia, tamanho e número de células encapsuladas. As formulações de co-cultura HA-MA / Gel-MA apresentaram deposição de cálcio ao fim de 14 dias, quando comparadas às monoculturas, evidenciando assim a importância dos osteoblastos. A avaliação da citotoxicidade da cisplatina nas co-culturas heterotípicas demonstrou que os microgéis 2.5%HA-MA-5%Gel-MA têm maior resistência ao fármaco que os microgéis com 5%HA-MA-5%Gel-MA. Em conclusão, os resultados indicam que as superfícies quase super-hidrofóbicas são úteis para a produção rápida, e sem solventes, de modelos 3D in vitro do cancro da próstata e podem vir a servir de plataforma de testes para a descoberta de novas terapias para o cancro da próstata