Sviluppo di una matrice biomimetica, alternativa al Matrigel, a base di biomateriali per la coltura di organoidi mammari in 3D

The extracellular matrix (ECM) plays a fundamental role in supporting tissue structure and regulating cell behavior through biochemical and mechanical signals. Among its specialized components, the basal lamina is particularly important in epithelial tissues, where it contributes to cell adhesion, polarity, and tissue organization. In in-vitro studies, Matrigel is widely used to replicate the basal lamina in three-dimensional (3D) cell culture systems, especially for the growth of epithelial cells and the formation of spheroids. However, its undefined composition, batch-to-batch variability, and animal origin pose significant limitations, particularly in applications requiring high reproducibility and standardization. This thesis focuses on the development of a biomimetic Matrigel-like biomaterials, defined and reproducible, inspired by the natural composition of the basal lamina. The proposed matrix is based on IV collagen and laminin, with the aim of providing a more controllable environment for the 3D culture of mammary epithelial cells and organoid self-organization, reducing the unpredictability and biological variability of traditional materials. To evaluate the matrix/cell interactions and self-organizing properties, several characterization techniques were employed. Optical and confocal microscopy enabled the observation of cell morphology, distribution, and spatial organization within the 3D environment. The analyses showed that the matrix supports cell adhesion and promotes the formation of organized epithelial structures, suggesting an effective interaction between the cells and the defined matrix. Image analysis and processing were used to reconstruct growth profiles and obtain quantitative data on spheroid morphology. Subsequent statistical analysis confirmed the reproducibility of the system. Additionally, rheological tests were performed to assess the mechanical behavior of the matrix, revealing stable and reproducible mechanical properties, compatible with soft tissues and comparable to those of Matrigel. Biocompatibility was evaluated through cell viability assays (live/dead) and morphological observations, confirming the matrix's ability to support healthy cell growth and maintain the typical epithelial morphology over time. In conclusion, the matrix developed in this work represents a defined and promising alternative to Matrigel for 3D cell culture applications. Its controlled composition and compatibility with epithelial cells make it a valuable tool for in vitro studies in tissue engineering, disease modeling, and drug screening, where reproducibility and standardization are increasingly essential.

La matrice extracellulare (ECM) svolge un ruolo fondamentale nel sostenere la struttura dei tessuti e nel regolare il comportamento cellulare attraverso segnali biochimici e meccanici. Tra i suoi componenti specializzati, la lamina basale riveste particolare importanza nei tessuti epiteliali, dove contribuisce all’adesione cellulare, alla polarità e all’organizzazione tissutale. Negli studi in vitro, il Matrigel è ampiamente utilizzato per replicare la lamina basale nei sistemi di coltura cellulare tridimensionale (3D), in particolare per la crescita di cellule epiteliali e la formazione di sferoidi. Tuttavia, la sua composizione non definita, la variabilità tra lotti e l’origine animale rappresentano limitazioni significative, soprattutto in applicazioni che richiedono elevata riproducibilità e standardizzazione. Questa tesi consiste nello sviluppo di una matrice biomimetica alternativa al Matrigel, definita e riproducibile, ispirata alla composizione naturale della lamina basale. La matrice proposta utilizza biomateriali e si basa collagene di tipo IV e laminina, con l’obiettivo di offrire un ambiente più controllabile per la coltura 3D di cellule epiteliali mammarie e la formazione di sferoidi, riducendo l’imprevedibilità e la variabilità biologica dei materiali tradizionali. Per la valutazione delle interazioni cellula/matrice e delle proprietà di auto-organizzazione sono state impiegate diverse tecniche di caratterizzazione. La microscopia ottica e confocale ha consentito di osservare la morfologia cellulare, la distribuzione e l’organizzazione spaziale delle cellule all’interno dell’ambiente tridimensionale. Le analisi hanno evidenziato che la matrice favorisce l’adesione cellulare e promuove la formazione di strutture epiteliali organizzate, suggerendo un’interazione efficace tra le cellule e il supporto a composizione nota. Attraverso l’analisi e l’elaborazione delle immagini sono stati ricostruiti i profili di crescita e ottenuti dati quantitativi sulla morfologia degli sferoidi. Le successive analisi statistiche hanno confermato la riproducibilità del sistema. Inoltre, sono stati condotti test reologici per analizzare il comportamento meccanico della matrice, i quali evidenziano caratteristiche meccaniche stabili e riproducibili, compatibili con i tessuti molli e comparabili a quelle del Matrigel. La biocompatibilità è stata valutata mediante test di vitalità cellulare (live\dead) e osservazioni morfologiche, che hanno confermato la capacità della matrice di supportare una crescita sana e di mantenere nel tempo la morfologia tipica delle cellule epiteliali. In conclusione, la matrice sviluppata in questo lavoro rappresenta un’alternativa definita e promettente al Matrigel per applicazioni in colture cellulari 3D. La sua composizione controllata e la compatibilità con cellule epiteliali ne fanno uno strumento utile per studi in vitro nell’ambito dell’ingegneria tissutale, della modellazione di patologie e dello screening farmacologico, dove riproducibilità e standardizzazione sono requisiti sempre più centrali