Differentiation and study of tumoral tissue using 3D cell cultures and a plasmonic nanosensor.

Glioblastoma is one of the most aggressive brain tumors, in fact the life expectancy is only two years after removal by surgery. The cause of these pessimistic data is in part due to the permanence in the patients of some malignant cells that have resisted surgery and standard treatments such as radio - and chemotherapy. In fact, the goal of this thesis work is to find a method that can distinguish between tumor and peritumoral tissues, it would help neurosurgeons to ensure that the entire portion of the tumor is effectively removed and to avoid its recurrence. Among other possibilities, to measure the tissues’ refractive index may help neurosurgeons to distinguish tumor from peritumoral tissues, i.e. tissues adjacent to the tumor characterized by their infiltration with different amounts of cancer cells. There are some results already published on this novel approach, using a nanostructured gold biosensor to distinguish tumor from peritumoral tissues in patients’ biopsies. One of the problems found to develop a device based on such approach, however, is the small number of samples from surgery to validate its performance, for this reason, it was decided to test the use of 3D cells culture to simulate the tumor extracellular environment. 3D cells culture, in general, are tiny cultures of self-organized three-dimensional tissues that derive from STEM cells, i.e. cells that can divide indefinitely and produce different types of cells as part of their progeny. In this thesis work, a particular type of Hydrogel based on cellulose was used to grow and proliferate glioblastoma cancer STEM cells. Cellulose hydrogels allow to growth tumor tissue in defined and animal free conditions. These characteristics allow from one hand to dissect the essential condition for organoids/tissue growth, and to allow these organoids to be used in future human applications. At the moment, the intent is to try to transfer the lab experimental setup to a portable system that may work as an intraoperative tool for fast discrimination of tumors from healthy tissues.

Il glioblastoma è uno dei tumori cerebrali più aggressivi, infatti l'aspettativa di vita è di soli due anni dopo la rimozione chirurgica. La causa di questi dati pessimistici è in parte dovuta alla permanenza nei pazienti di alcune cellule maligne che hanno resistito alla chirurgia e ai trattamenti standard come radio e chemioterapia. Infatti, l'obiettivo di questo lavoro di tesi è trovare un metodo in grado di distinguere tra tumore e tessuti peritumorali, aiuterebbe i neurochirurghi a garantire che l'intera porzione di tumore venga effettivamente rimossa e ad evitarne la recidiva. Tra le altre possibilità, misurare l'indice di rifrazione dei tessuti può aiutare i neurochirurghi a distinguere il tumore dai tessuti peritumorali, cioè i tessuti adiacenti al tumore caratterizzati dalla loro infiltrazione con diverse quantità di cellule tumorali. Ci sono alcuni risultati già pubblicati su questo nuovo approccio, utilizzando un biosensore d'oro nanostrutturato per distinguere il tumore dai tessuti peritumorali nelle biopsie dei pazienti. Uno dei problemi riscontrati nello sviluppo di un dispositivo basato su tale approccio, tuttavia, è l'esiguo numero di campioni provenienti dalla chirurgia per validare le sue prestazioni, per questo motivo si è deciso di testare l'uso della coltura di cellule 3D per simulare l'ambiente extracellulare del tumore . Le colture di cellule 3D, in generale, sono minuscole colture di tessuti tridimensionali auto-organizzati che derivano da cellule STEM, cioè cellule che possono dividersi indefinitamente e produrre diversi tipi di cellule come parte della loro progenie. In questo lavoro di tesi, un particolare tipo di idrogel a base di cellulosa è stato utilizzato per far crescere e proliferare le cellule staminali tumorali del glioblastoma. Gli idrogel di cellulosa consentono la crescita del tessuto tumorale in condizioni definite e prive di animali. Queste caratteristiche consentono da un lato di sezionare la condizione essenziale per la crescita di organoidi/tessuti e di consentire a questi organoidi di essere utilizzati in future applicazioni umane. Al momento, l'intento è quello di provare a trasferire il setup sperimentale del laboratorio su un sistema portatile che possa funzionare come strumento intraoperatorio per una rapida discriminazione dei tumori dai tessuti sani.