Ottimizzazione del microambiente tumorale: scaffold di idrogel arricchiti di collagene per modelli tumorali in vitro

Our understanding of the molecular mechanisms underlying cancer development has increased rapidly, and tumor specificity among patients is now widely recognized. Consequently, one-size-fits-all treatment approaches must be replaced by precision therapies that address patient-specific needs. Next-generation precision oncology should account for the complex and evolving phenotypes in each patient, along with the structural and mechanical characteristics of tumors, which collectively govern treatment responses. To support this goal, biomimetic 3D scaffolds that closely resemble the extracellular matrix have been developed. These systems enable more physiologically relevant investigations into patient-specific tumor behavior, cell–cell and cell–matrix interactions, and drug responsiveness. Notably, it has been demonstrated that these scaffolds stimulate both cancer and stromal cells to produce and remodel extracellular matrix components—particularly collagen. This finding underscores the system’s capacity to replicate key features of the tumor microenvironment, offering a valuable platform for studying tumor–stroma dynamics and matrix-driven drug resistance mechanisms. These 3D models are also employed to analyze the mechanical and electrical properties of tumor tissues, and to evaluate the effectiveness of novel therapeutic strategies such as electrochemotherapy and electromagnetic field-based treatments. In the current phase of the project, the research team is investigating the impact of incorporating a defined percentage of bovine collagen into the scaffold composition, in combination with the existing self-assembling peptide EAbuK-IKVAV and hyaluronic acid components. The objective is to evaluate how this modification affects scaffold structure, cellular behavior, and ECM remodeling, with the aim of better mimicking native tissue characteristics and enhancing the physiological relevance of the model. By bridging bioengineering, oncology, and electromagnetics, this research contributes to the development of personalized and targeted cancer therapies, while promoting the replacement of animal models with more ethical, reproducible in vitro systems.

La nostra comprensione dei meccanismi molecolari alla base dello sviluppo del cancro è aumentata rapidamente e la specificità dei tumori tra i pazienti è oggi ampiamente riconosciuta. Di conseguenza, un trattamento "uguale per tutti" deve essere sostituito da una terapia di precisione che risponda alle esigenze specifiche di ciascun paziente. L'oncologia di precisione di nuova generazione dovrebbe considerare i fenotipi complessi ed in continua evoluzione di ogni paziente, nonché le caratteristiche strutturali e meccaniche del tumore, che insieme regolano la risposta del tumore ai trattamenti. A tal fine, sono stati progettati scaffold biomimetici tridimensionali che riproducono da vicino la matrice extracellulare, consentendo indagini più fisiologicamente rilevanti sul comportamento tumorale del paziente, sulle interazioni cellula-cellula e cellula-matrice, e sulla risposta ai farmaci. È stato dimostrato, in particolare, che questi scaffold stimolano le cellule tumorali e stromali a produrre e rimodellare componenti della matrice extracellulare, in particolare il collagene. Questo risultato evidenzia la capacità del sistema di imitare caratteristiche chiave del microambiente tumorale, offrendo una piattaforma preziosa per studiare le dinamiche tra tumore e stroma e i meccanismi di resistenza ai farmaci guidati dalla matrice. Questi modelli 3D vengono utilizzati per analizzare le proprietà meccaniche ed elettriche dei tessuti tumorali, nonché per valutare l'efficacia di nuovi approcci terapeutici, come l'elettrochemioterapia e i trattamenti basati su campi elettromagnetici. Nella fase attuale del progetto, il team sta studiando gli effetti dell’integrazione di una percentuale definita di collagene bovino nella composizione dello scaffold, insieme ai componenti esistenti di peptide autoassemblante EAbuK-IKVAV e acido ialuronico. L'obiettivo è valutare come questa modifica influenzi la struttura dello scaffold, il comportamento cellulare e il rimodellamento della matrice extracellulare, con un focus sul miglioramento della somiglianza con i tessuti nativi e sull'aumento della rilevanza fisiologica del modello. Integrando bioingegneria, oncologia ed elettromagnetismo, questa ricerca contribuisce allo sviluppo di terapie oncologiche personalizzate e mirate, promuovendo al contempo la sostituzione dei modelli animali con sistemi in vitro più etici e riproducibili.