Design and Production of a Microfluidic Platform for Studying Colorectal Cancer Progression and Treatment

The thesis presents the design, production, and validation of innovative microfluidic platforms aimed at studying colorectal cancer progression and evaluating the effectiveness of pharmacological treatments. The main objective is to develop an in vitro model that replicates the three-dimensional (3D) tumor microenvironment, surpassing the limitations of current two-dimensional (2D) systems. To this end, methacrylated gelatin hydrogel (GelMA), a biocompatible biomaterial, was used to construct a 3D biological matrix that supports cell growth and interactions under controlled conditions. The developed platform, a MicroGradient Generator, MGG, is a microfluidic device engineered to generate drugs and nutrients gradients, enabling accurate simulation of in vivo-like tumor conditions. Its two-layer geometry allows for the controlled manipulation of flow and interactions between cellular models and administered compounds. The study focuses on the formation of co-culture spheroids composed of human BJ fibroblasts and HCT-116 colorectal cancer cells to best mimic the tumor microenvironment. The 3D spheroids were characterized through biological assays (MTT) and immunofluorescence to detect markers of hypoxia (HIF-1α), proliferation (Ki-67), and fibroblast activation (α-SMA). Finally, the therapeutic efficacy of 5-fluorouracil (5FU), a standard chemotherapeutic for colorectal cancer, was assessed by exposing the spheroids to the drug and analyzing cell viability along with markers indicative of treatment response.

La tesi presenta la progettazione, la produzione e la validazione di piattaforme microfluidiche innovative finalizzate allo studio della progressione del cancro colorettale e alla valutazione dell'efficacia dei trattamenti farmacologici. L'obiettivo principale è quello di sviluppare un modello in vitro che replichi il microambiente tumorale tridimensionale (3D), superando i limiti degli attuali sistemi bidimensionali (2D). A tal fine, è stato utilizzato l'hydrogel di gelatina metacrilata (GelMA), un biomateriale biocompatibile, per costruire una matrice biologica 3D che supporta la crescita e le interazioni cellulari in condizioni controllate. La piattaforma sviluppata, un MicroGradient Generator, MGG, è un dispositivo microfluidico progettato per generare gradienti di farmaci e nutrienti, consentendo un'accurata simulazione di condizioni tumorali simili a quelle in vivo. La sua geometria a due strati consente la manipolazione controllata del flusso e delle interazioni tra i modelli cellulari e i composti somministrati. Lo studio si concentra sulla formazione di sferoidi in co-coltura composti da fibroblasti umani BJ e cellule di cancro del colon-retto HCT-116 per imitare al meglio il microambiente tumorale. Gli sferoidi 3D sono stati caratterizzati attraverso saggi biologici (MTT) e immunofluorescenza per rilevare i marcatori di ipossia (HIF-1α), proliferazione (Ki-67) e attivazione dei fibroblasti (α-SMA). Infine, è stata valutata l'efficacia terapeutica del 5-fluorouracile (5FU), un chemioterapico standard per il tumore del colon-retto, esponendo gli sferoidi al farmaco e analizzando la vitalità cellulare insieme ai marcatori