Cancer-on-chip development for applications in anticancer therapies
Élaboration de cancers sur puce pour des applications en thérapies anticancéreuses
Résumé
Ovarian cancer is a major public health issue. Moreover, new treatments still face very high failure rates. This is mainly due to the unreliability of conventional preclinical models such as 2D cell culture. Thus, new tools based on 3D cell culture have emerged such as spheroids and organoids. However, these models have their own limitations (cost, difficulty of application). 3D bioprinting is a new approach to create tunable and reproducible tumor models. However, very few bioprinted tumor models have been reported so far. Besides the “third dimension”, it is important to consider the dynamic conditions of the tumor environment. This has been possible for some years now thanks to microfluidics-based cancer-on-a-chip technology. However, this technology currently does not simulate the drug vascular transport before its interaction with the tumor cells. In this PhD project, we set out to create a dynamic, three-dimensional model of ovarian cancer by combining 3D bioprinting and microfluidics. First, 3D bioprinting was used to create the tumor structure itself. For that, we formulated a bio-ink comprising SKOV-3 ovarian cancer cells and MeWo cancer fibroblasts embedded in a gelatin – alginate hydrogel. The bioprinted tumor structures were then characterized by various techniques to demonstrate their viability and biological relevance. Their response to anticancer drug cisplatin was also assessed. In the second step, we integrated the bioprinted tumor model into a microfluidic support for culture under physiological flow. This support was also intended to simulate the drug's vascular transport prior to interaction with the tumor tissue. We then used computational fluid dynamics to design an improved version of the first system. The aim of this improved version was to simultaneously assess multiple drug concentrations. This PhD project demonstrated the ability of 3D bioprinting to create viable and functional ovarian tumor models. It has also brought interesting research prospects with regard to the possibilities of combining 3D bioprinting and microfluidics to improve preclinical modeling of ovarian tumors.
Le cancer de l’ovaire constitue un véritable enjeu de santé public. Les nouveaux traitements se heurtent par ailleurs à des taux d’échec très élevés. Ceci s’explique notamment pour le manque de fiabilité des modèles précliniques classiques tels que la culture cellulaire en 2D. De nouveaux outils basés sur la culture cellulaire en 3D ont alors fait leur apparition tels que les sphéroïdes et les organoïdes. Or ces modèles ont leurs propres limites (coûts, difficultés d’application). La bio-impression 3D est une nouvelle approche permettant de créer des modèles tumoraux de manière contrôlée et reproductible. Néanmoins, elle a encore très peu été appliquée au cancer ovarien. En plus de la troisième dimension, il est important de prendre en compte les conditions dynamiques associées à l’environnement tumoral. Ceci est possible depuis quelques années grâce à la technologie des cancers sur puce basée sur la microfluidique. Cependant, cette technologie ne permet pas, à l’heure actuelle, de simuler le trajet vasculaire du médicament en amont de son interaction avec le tissu tumoral. Dans ce projet de thèse, nous avons souhaité créer un modèle tridimensionnel et dynamique du cancer ovarien en combinant les approches de bio-impression 3D et de microfluidique. Dans un premier temps, la bio-impression 3D a été utilisée pour créer la structure tumorale à proprement parlé. Pour y parvenir, nous avons formulé un hydrogel de gélatine et d’alginate de sodium dans lequel nous avons intégré des cellules cancéreuses ovariennes (SKOV-3) et des fibroblastes cancéreux (MeWo). Le tissu tumoral bio-imprimé a ensuite été caractérisé par différentes techniques pour démontrer sa viabilité et sa pertinence biologique. Sa réponse au cisplatine a également été évaluée. Dans un second temps, nous avons intégré le modèle tumoral bio-imprimé au sein d’un support microfluidique. Le rôle de ce support était de permettre la mise en culture du tissu bio-imprimé sous flux physiologique. Il devait également permettre de simuler le trajet vasculaire du médicament avant son interaction avec le tissu tumoral. Par la suite, nous avons fait appel à la simulation en mécanique des fluides pour concevoir une version améliorée du premier système. L’objectif étant de pouvoir tester, en même temps, plusieurs concentrations différentes de médicament sur un même dispositif microfluidique. Ce projet de thèse a démontré la capacité de la bio-impression 3D à créer des tissus tumoraux ovariens viables et fonctionnels. Il a par ailleurs ouvert des perspectives de recherche très intéressantes par rapport aux possibilités de combiner la bio-impression 3D et de la microfluidique en vue d’améliorer la modélisation préclinique des cancers ovariens.