@misc{10481/106456,
year = {2025},
url = {https://hdl.handle.net/10481/106456},
abstract = {Cancer remains a significant global health challenge, ranking as the second leading
cause of death in developed countries, with nearly 20 million cases diagnosed in 2022.
Tumors are heterogeneous, composed of multiple cell populations that include cancer
cells, stromal cells, and infiltrating immune cells, all embedded in an extracellular
matrix (ECM) that provides a niche conducive to tumor development. This tumor microenvironment
(TME) influences key processes such as cell signaling, transport, motility,
metastasis, and immune responses, and it is shaped by genetic, epigenetic, and
transcriptomic changes, as well as environmental factors. Cancer stem cells (CSCs),
responsible for tumor initiation and progression, add complexity to the TME and represent
a critical therapeutic target for improving treatment outcomes and reducing metastasis.
Oncology research faces a significant challenge, with over 97% of antitumor drug candidates
failing clinical trials due to tumor heterogeneity, lack of predictive biomarkers,
CSC-mediated resistance, and the absence of preclinical models that accurately reflect
the patient’s reality. Three-dimensional (3D) models, which incorporate tumor ECM,
offer a promising alternative to traditional 2D models, better mimicking the complexity
of the TME and enabling more accurate studies of cell behavior and therapeutic
responses.
This thesis focuses on developing ECM substitutes for different tumor types (head
and neck squamous cell carcinoma [HNSCC], and breast cancer [BC]) to biofabricate
preclinical tumor models that recapitulate the cellular and compositional heterogeneity
of the TME.
In the development of the HNSCC model, the approach was using a decellularized ECM (dECM) derived from fibroblasts (fdECM) combined with alginate and gelatin
to form a 3D hydrogel. This model integrated CSCs from the Cal-27 cell line, along
with stromal components like FBs and MSCs, to mimic the HNSCC TME. The fdECM
preserved essential ECM components, including collagen, fibronectin, and laminin,
contributing to the hydrogel’s ability to promote cell adhesion, maintain viability,
and drive robust cell proliferation. The effects of melatonin were tested on the model,
showing antiproliferative effects on HNSCC CSCs and a reduction in tumor invasion
and migration markers. This model provided a valuable tool for precision oncology,
closely mimicking the HNSCC TME.
The final phase developed a 3D BC tumor model by adapting dECMs to specific
tumor subtypes. Protocols were optimized to obtain decellularized human adipose
matrices (hDAM) and dECMs from BC cell lines representing four molecular
subtypes: Luminal A (MCF-7), Luminal B (BT474), HER2+ (SKBR3), and TNBC
(MDA-MB-231). These matrices retained essential ECM components and showed
subtype-specific differences in composition and structural properties. The matrices
were used to generate tumor models that reflected the aggressiveness of each subtype.
The models showed different patterns of cellular reorganization, ECM remodeling,
and TME activation and their mechanical properties correlated with tumor
aggressiveness. Additionally, the models were tested with patient-derived breast
cancer organoids (BCOs) to study drug responses, revealing that the matrices enhanced
differential drug resistance.
In conclusion, the research highlights the importance of using multicellular ECMbased
tumor models that replicate the complexity of the TME. These models not only
reveal tumor type-specific differences but also provide valuable tools for understanding
tumor behavior, improving drug screening, and advancing personalized cancer
therapies.},
abstract = {El cáncer sigue siendo un importante desafío de salud global, ocupando el segundo lugar
como causa principal de muerte en los países desarrollados, con cerca de 20 millones
de casos diagnosticados en 2022. Los tumores son heterogéneos, compuestos por
múltiples poblaciones celulares que incluyen células cancerosas, células estromales y
células inmunitarias infiltrantes, todas embebidas en una matriz extracelular (ECM)
que proporciona un nicho propicio para el desarrollo del tumor. Este microambiente
tumoral (TME) influye en procesos clave como la señalización y motilidad celular, la
metástasis y las respuestas inmunológicas, y está determinado por cambios genéticos,
epigenéticos y transcriptómicos, así como por factores ambientales. Las células madre
tumorales (CSCs), responsables de la iniciación y la progresión del tumor, añaden
complejidad al TME y representan un objetivo terapéutico crítico para mejorar los
resultados del tratamiento y reducir la metástasis.
La investigación oncológica enfrenta un desafío importante, ya que más del 97% de
los candidatos a fármacos antitumorales fracasan en ensayos clínicos debido a la heterogeneidad
tumoral, la falta de biomarcadores predictivos, la resistencia mediada por
CSCs y la ausencia de modelos preclínicos que reflejen con precisión la realidad de los
pacientes. Los modelos tridimensionales (3D) que incorporan la ECM tumoral ofrecen
una alternativa prometedora a los modelos tradicionales bidimensionales (2D), ya que
imitan mejor la complejidad del TME y permiten estudios más precisos sobre el comportamiento
celular y las respuestas terapéuticas.
Esta tesis se centra en el desarrollo de sustitutos de la ECM para biofabricar modelos
preclínicos de diferentes tipos de tumores (carcinoma de células escamosas de cabeza
y cuello [HNSCC] y cáncer de mama [BC]) con el objetivo de recapitular la heterogeneidad
celular y composicional del TME. En el desarrollo del modelo de HNSCC, se utilizó una ECM descelularizada (dECM)
derivada de fibroblastos (fdECM) combinada con alginato y gelatina para formar un
hidrogel 3D. Este modelo integró CSCs de la línea celular Cal-27, junto con componentes
estromales como FBs y MSCs, para imitar el TME de HNSCC. La fdECM
conservó componentes esenciales de la ECM, como el colágeno, la fibronectina y la laminina,
lo que contribuyó a la capacidad del hidrogel para promover la adhesión celular,
mantener la viabilidad e impulsar una sólida proliferación celular. Se probaron los
efectos de la melatonina en el modelo, mostrando efectos antiproliferativos sobre las
CSCs de HNSCC y una reducción de los marcadores de invasión y migración tumoral.
En la fase final se desarrolló un modelo tumoral 3D para el cáncer de mama (BC) adaptando
las dECMs a subtipos tumorales específicos. Se optimizaron protocolos para
obtener matriz de tejido adiposo descelularizada (hDAM) y dECMs de líneas celulares
de BC que representan los cuatro subtipos moleculares del BC: Luminal A (MCF-7),
Luminal B (BT474), HER2+ (SKBR3) y TNBC (MDA-MB-231). Estas matrices retuvieron
componentes esenciales de la ECM y mostraron diferencias específicas de
su subtipo molecular en composición y estructura. La inclusión de estas matrices en
los modelos tumorales permitió reflejar la agresividad de cada subtipo. Los modelos
promovieron diferentes patrones de reorganización celular, remodelado de la ECM y
activación del TME, y sus propiedades mecánicas se correlacionaron con la agresividad
tumoral. Además, los modelos su utilizaron para el cultivo de organoides de cáncer
de mama derivados de pacientes (BCOs) para estudiar las respuestas a fármacos,
revelando que las matrices promovieron diferencialmente la resistencia a los fármacos.
En conclusión, la investigación resalta la importancia de utilizar modelos tumorales
3D multicelulares basados en la ECM que repliquen la complejidad y heterogeneidad
del TME. Los modelos desarrollados en esta tesis revelaron diferencias específicas
del tipo tumoral, mimetizando el desarrollo tumorogénico, y reflejaron respuestas farmacológicas
más cercanas a las que se dan en los pacientes. De esta manera, no sólo
constituyen herramientas valiosas para entender el comportamiento tumoral, si no que
pueden ayudar a mejorar el cribado de fármacos y avanzar en terapias personalizadas
contra el cáncer.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {RTC.2016 Collaborative Challenge Projects, Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades RTC-2016-5451-1},
organization = {RTC.2017 Collaborative Challenge Projects, Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. RTC-2017-6658-1},
organization = {Consejería de Salud y Familias, Junta de Andalucía PIN-0224-2019},
organization = {Consejería de Economía, Conocimiento, Empresas y Universidad de la Junta de Andalucía P18‐FR‐2470},
organization = {Horizon Europe (HORIZON) HORIZON-CL4-2022-RESILENCE-01-13},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Biofabrication of complex tumor microenvironments with application in precision oncology},
author = {López de Andrés, Julia},
}