Design and fabrication of three-dimensional scaffolds for breast cancer stem cell expansion and molecular characterization

Abstract

Triple negative breast cancer (TNBC) accounts for 15-20% of the breast cancers and displays an aggressive profile, poor prognosis, high relapse risk and does not have a targeted therapy. In the last years, breast cancer stem cells (BCSCs) have emerged as a possible novel therapeutic target for this breast cancer subtype. BCSCs are a small population within the tumor with relative resistance to current treatments and tumorigenic capacity, favouring relapse. Unfortunately, their study is difficult due to the fac that tradition in vitro two-dimensional (2D) cell culture induces their differentiation, transforming them to non-stem cancer cells. For this reason, three-dimensional (3D) cell culture supports, such as scaffolds, have emerged as an alternative to reinstate a physiological-like structure and overcome the above-mentioned issue. Hence, the hypothesis of this thesis is that the use of scaffolds will enable the expansion and characterization of the BCSC subpopulation of TNBC samples and, therefore, facilitate the development of targeted therapies against cancer stem-like cells.

Firstly, two distinct technologies were optimized, fused filament fabrication (FFF) and electrospinning (ES), in order to manufacture scaffolds with the polymer poly(-caprolactone) (PCL). After testing them with the reference breast cancer cell model MCF-7, ES scaffolds displayed the highest potential regarding cell growth and BCSC expansion. In a later study, a relationship between BCSCs and the fatty acid synthase (FASN), a lipogenic enzyme overexpressed in tumors, has been depicted. Finally, ES scaffolds were used to culture two TNBC cell models. In scaffolds, TNBC cells displayed more elongated morphology and an expansion of the BCSC niche. Moreover, a FASN hyperactivation was found in the 3D enriched samples and its inhibition led to suppress the BCSC expansion achieved in 3D culture.

In summary, our results point out that ES scaffolds may facilitate the cancer stem cell research field. Besides, data set up the basis for further investigation using FASN as a possible novel therapeutic target, to attack BCSCs altogether with the tumor bulk and improve the prognosis of TNBC patients, among other cancer types

El càncer de mama triple negatiu (TNBC) representa el 15-20% dels tumors mamaris i presenta un perfil agressiu, mal pronòstic, un elevat índex de recaigudes i no té una teràpia dirigida. En els últims anys, les cèl·lules mare del càncer de mama s’han postulat com a possibles dianes terapèutiques per aquest subtipus de càncer. Es tracta d’una petita subpoblació present en el tumor amb certa resistència als tractament actuals i amb capacitat tumorigènica, cosa que afavoreix l’aparició de recaigudes. Malauradament, el seu estudi és dificultós ja que el cultiu cel·lular tradicional in vitro en 2 dimensions (2D) indueix la seva diferenciació, transformant-les en cèl·lules canceroses no-mare. És per això que han aparegut diferents models de cultiu cel·lular en 3 dimensions (3D), com els scaffolds, per tal de restablir un entorn similar al fisiològic i resoldre el problema anteriorment descrit. Per tant, la hipòtesi d’aquesta tesi és que l’ús de scaffolds permetrà l’expansió i caracterització de les cèl·lules mare tumorals en mostres TNBC, cosa que facilitarà el desenvolupament de teràpies dirigides contra aquesta subpoblació.

Primerament s’han optimitzat dues tecnologies diferents, la fabricació per filament fos (FFF) i l’electrofilat (ES) per tal de fabricar scaffolds amb el polímer poli(-caprolactona) (PCL). Després de testar-los amb la línia cel·lular de referència de càncer de mama MCF-7, els scaffolds d’ES han mostrat el major potencial pel que fa a proliferació i expansió de les cèl·lules mare tumorals. En un estudi posterior s’ha pogut relacionar la població de cèl·lules mare tumorals amb la sintasa d’àcids grassos (FASN), un enzim sobreexpressat en tumors que s’encarrega de la síntesi dels àcids grassos. Finalment, s’han emprat els scaffolds d’ES per cultivar dues línies cel·lulars de TNBC. S’ha pogut comprovar que les cèl·lules, en els scaffolds, presenten una morfologia més allargada i un augment de la població de cèl·lules mare tumorals. També s’ha trobat una hiperactivació de FASN en les mostres enriquides en 3D i la seva inhibició ha portat a suprimir l’expansió de cèl·lules mare tumorals aconseguida en el cultiu 3D.

En resum, els nostres resultats indiquen que els scaffolds d’ES poden facilitar la investigació en l’àrea de les cèl·lules mare tumorals. També senten les bases per a seguir investigant FASN com a possible nova diana terapèutica, per tal d’atacar les cèl·lules mare tumorals juntament amb la resta del tumor i millorar així el pronòstic de les pacients TNBC, entre altres tipus de càncer