Un modello tridimensionale per osservare ciò che accade attorno al tumore
Un gruppo di ricercatori della Rowan University, negli Stati Uniti, sta utilizzando la biostampa 3D per studiare un aspetto del cancro che non riguarda soltanto le cellule tumorali: il modo in cui queste comunicano con le cellule sane presenti nel tessuto circostante e ne modificano progressivamente il comportamento.
Il progetto è dedicato al condrosarcoma, un tumore maligno che si sviluppa nel tessuto cartilagineo e che appartiene alla famiglia dei sarcomi ossei.
L’obiettivo del gruppo coordinato da Andrea Vernengo, professoressa associata di Chemical Engineering e Biomedical Engineering presso l’Henry M. Rowan College of Engineering della Rowan University, consiste nel ricostruire in laboratorio una parte di questo microambiente tumorale con un sistema tridimensionale abbastanza controllabile da permettere di osservare le interazioni tra cellule per diverse settimane.
Il risultato non è un organo artificiale e neppure un tessuto destinato all’impianto.
Si tratta di un modello sperimentale in vitro nel quale la stampa 3D viene utilizzata per posizionare gruppi cellulari in punti prestabiliti all’interno di un idrogel e studiare nel tempo come si muovono, quali molecole producono e come cambia la loro espressione genetica.
Il progetto, della durata prevista di due anni, ha ricevuto un finanziamento di 154.917 dollari dal National Cancer Institute dei National Institutes of Health, NIH.
Perché il condrosarcoma presenta difficoltà particolari
Il condrosarcoma comprende un gruppo di tumori caratterizzati dalla produzione anomala di tessuto cartilagineo.
Per molte forme localizzate, quando tecnicamente possibile, la chirurgia rimane un elemento centrale del trattamento.
Il problema è che diverse forme di condrosarcoma rispondono poco ai trattamenti sistemici utilizzati con successo contro altri tumori. Chemioterapia e radioterapia possono avere un ruolo in situazioni specifiche e in determinati sottotipi, ma il condrosarcoma convenzionale presenta spesso una sensibilità limitata a queste terapie.
Da qui nasce l’interesse per meccanismi biologici che non riguardano soltanto la cellula cancerosa, ma l’ambiente che la circonda.
Un tumore, infatti, non è costituito esclusivamente da una massa uniforme di cellule maligne.
Attorno alle cellule tumorali si trovano matrice extracellulare, vasi sanguigni, cellule immunitarie, fibroblasti, cellule stromali e differenti popolazioni cellulari che possono influenzare la progressione della malattia.
Questo insieme viene definito microambiente tumorale.
Le cellule staminali mesenchimali possono cambiare comportamento
La ricerca della Rowan University concentra l’attenzione sulle cellule staminali mesenchimali, indicate frequentemente con la sigla MSC.
Queste cellule sono coinvolte nei processi di formazione e mantenimento di diversi tessuti, tra cui osso e cartilagine.
All’interno di un organismo sano partecipano a meccanismi di riparazione e rigenerazione. In prossimità di un tumore, però, la situazione può diventare molto più complessa.
Le cellule cancerose sono in grado di produrre segnali chimici che richiamano altre cellule verso il tumore.
Secondo l’ipotesi studiata dal gruppo della Rowan University, anche le cellule del condrosarcoma possono attirare le MSC e instaurare con loro una comunicazione bidirezionale.
Le cellule staminali non rimarrebbero quindi semplici spettatrici.
Una volta raggiunta l’area tumorale potrebbero modificare progressivamente la propria attività e produrre molecole che favoriscono il rimodellamento della matrice extracellulare e creano condizioni più favorevoli all’espansione del tumore.
Tra i fenomeni studiati rientra anche la produzione di enzimi capaci di degradare componenti dei tessuti circostanti.
La domanda centrale diventa quindi: fino a che punto il tumore riesce a cambiare l’identità funzionale delle cellule staminali presenti nel microambiente?
La difficoltà di studiare una conversazione tra cellule
Osservare questo meccanismo con una normale coltura cellulare presenta diversi limiti.
Nelle tradizionali colture bidimensionali, le cellule crescono prevalentemente sulla superficie di una piastra.
Questa configurazione facilita molte analisi di laboratorio, ma rappresenta in maniera semplificata la realtà tridimensionale di un tessuto.
Il problema diventa ancora maggiore quando l’oggetto dello studio è la comunicazione tra gruppi cellulari separati nello spazio.
Le cellule comunicano infatti attraverso molecole come citochine e chemochine che si diffondono nel tessuto creando gradienti di concentrazione.
La distanza tra una cellula e l’altra può quindi modificare il segnale ricevuto.
Se tutte le cellule vengono semplicemente mescolate nello stesso recipiente, parte di questa informazione spaziale scompare.
Anche alcuni modelli tridimensionali convenzionali possono presentare lo stesso problema: con il passare del tempo le molecole diffuse dalle cellule tendono a distribuirsi nel materiale, riducendo la presenza di gradienti ben definiti.
Il progetto della Rowan University cerca di conservare proprio questa componente spaziale.
EXPECT: celle stampate in posizioni controllate
La tecnologia utilizzata prende il nome di EXPECT, acronimo di EXtrusion Patterned Embedded ConstruCTs.
EXPECT è una piattaforma di biostampa sviluppata per creare strutture cellulari tridimensionali all’interno di un idrogel sensibile alla temperatura.
Il principio è diverso dalla normale stampa 3D di un polimero termoplastico.
Una stampante specializzata deposita materiale contenente cellule vive all’interno di un mezzo morbido che funge contemporaneamente da supporto e da ambiente di coltura.
La deposizione per estrusione permette di determinare la posizione iniziale delle cellule.
Nel modello impiegato per lo studio del condrosarcoma, gruppi cellulari differenti possono essere collocati in canali separati e a distanze prestabilite.
Questo permette ai ricercatori di iniziare ogni esperimento conoscendo con precisione la posizione relativa delle popolazioni cellulari.
La geometria utilizzata dalla Rowan University comprende una serie di canali disposti in strutture sovrapposte ad anello.
Da una parte possono essere collocate le cellule del condrosarcoma, dall’altra le cellule staminali mesenchimali.
In questo modo il sistema non obbliga immediatamente le due popolazioni a entrare in contatto.
Permette invece di osservare se iniziano spontaneamente ad avvicinarsi in risposta ai segnali chimici prodotti dall’altro gruppo.
Un idrogel che reagisce alla temperatura
Uno degli aspetti più interessanti di EXPECT è il comportamento termoresponsivo del materiale.
La piattaforma descritta dai ricercatori nel lavoro scientifico dedicato a EXPECT utilizza un mezzo nel quale sono combinati componenti destinati a controllare la reologia, la stabilità durante la stampa e la risposta alla temperatura.
La formulazione pubblicata comprende Carbopol 940 e gelatina, insieme a un polimero termoresponsivo basato su poly(N-isopropylacrylamide) legato a condroitin solfato, indicato come pNIPAAm-CS.
Il materiale presenta una transizione nell’ordine dei 32 °C.
Modificando la temperatura, i ricercatori possono quindi cambiare alcune caratteristiche fisiche dell’ambiente nel quale si trovano le cellule.
Questo controllo viene utilizzato per favorire o limitare il movimento cellulare senza dover distruggere il modello.
È un elemento importante perché la migrazione rappresenta uno degli indicatori che il gruppo vuole osservare.
Se le cellule staminali iniziano a spostarsi verso il condrosarcoma, il comportamento può fornire informazioni sulla presenza di segnali chemotattici prodotti dal tumore.
La piattaforma è stata testata per colture di lunga durata
EXPECT non nasce esclusivamente per questo studio sul cancro.
La piattaforma è stata sviluppata inizialmente per studiare l’organizzazione spaziale delle cellule all’interno di biomateriali e le sue caratteristiche sono state descritte nel 2025 sulla rivista scientifica Smart Materials in Medicine.
Negli esperimenti che hanno portato alla pubblicazione, il sistema ha mantenuto la vitalità e la capacità di differenziamento delle cellule staminali mesenchimali per periodi che hanno raggiunto 60 giorni.
I ricercatori hanno inoltre osservato organizzazione, allineamento e condensazione delle MSC per periodi fino a 36 giorni.
Questa durata è importante per il nuovo progetto sul condrosarcoma.
Una comunicazione biologica complessa non necessariamente produce effetti evidenti dopo poche ore.
Alcuni cambiamenti nella migrazione, nel metabolismo o nell’identità cellulare richiedono giorni o settimane.
Un modello sufficientemente stabile permette quindi di seguire il fenomeno senza dover interrompere continuamente l’esperimento.
Trenta giorni per osservare l’incontro tra le cellule
Nel progetto finanziato dal National Cancer Institute, il gruppo prevede colture della durata di circa 30 giorni.
Durante questo periodo le cellule tumorali e le cellule staminali mesenchimali vengono mantenute all’interno della struttura EXPECT.
I ricercatori possono modificare le condizioni termiche del materiale e osservare al microscopio come cambiano posizione e morfologia.
Uno degli elementi da verificare sarà proprio la migrazione.
Se le MSC iniziano a dirigersi verso le cellule del condrosarcoma, sarà possibile misurare la velocità del movimento, la direzione e il modo in cui questo fenomeno varia durante il periodo di coltura.
Ma la posizione delle cellule rappresenta soltanto una parte dell’esperimento.
Il gruppo analizzerà anche la loro attività metabolica, la modifica della matrice extracellulare e i cambiamenti nell’espressione dei geni.
La stampa 3D serve a mantenere le distanze
In questa applicazione il vantaggio principale della stampa 3D non consiste nella possibilità di creare una forma complessa dal punto di vista estetico.
La funzione più importante è il controllo spaziale.
Due gruppi cellulari possono essere stampati a distanze differenti.
I ricercatori possono quindi verificare se la distanza modifica la risposta biologica.
Possono inoltre realizzare campioni con geometrie comparabili e ripetere gli esperimenti partendo da configurazioni più uniformi.
Questa caratteristica distingue il modello da una semplice miscela di cellule all’interno di un idrogel.
La posizione diventa una delle variabili sperimentali.
Il tumore e le cellule staminali possono comunicare attraverso molecole solubili senza che sia necessario un contatto fisico immediato.
Avere un sistema capace di conservare gradienti e distanze permette di studiare questo fenomeno con maggiore controllo.
Dal movimento delle cellule alla loro identità genetica
Il passo successivo consiste nel capire che cosa accade dentro le cellule.
Per questo motivo la Rowan University abbinerà il modello tridimensionale a tecniche di analisi molecolare.
Sophia Orbach, assistant professor di Biomedical Engineering alla Rowan University, partecipa allo studio con attività dedicate all’analisi dell’RNA delle singole cellule.
La tecnica prevista è il single-cell RNA sequencing, abbreviato scRNA-seq.
Invece di misurare un valore medio ricavato da migliaia di cellule mescolate insieme, questa metodologia consente di analizzare il profilo di espressione genetica delle singole cellule.
Il vantaggio è importante in un sistema nel quale non tutte le cellule necessariamente reagiscono allo stesso modo.
Alcune MSC potrebbero rimanere relativamente vicine al loro stato iniziale, mentre altre potrebbero modificare fortemente la propria attività in risposta ai segnali del tumore.
Con l’analisi a singola cellula diventa possibile distinguere queste popolazioni.
PI3K e i meccanismi associati alla migrazione
Il progetto finanziato dal National Cancer Institute comprende anche l’analisi dei meccanismi molecolari che accompagnano il movimento cellulare.
Tra i percorsi di interesse indicati nel progetto compare quello PI3K/PIP3, coinvolto nei processi attraverso i quali una cellula può orientare il proprio movimento in risposta a un segnale.
I ricercatori vogliono verificare se l’interazione prolungata con le cellule del condrosarcoma attivi programmi collegati alla migrazione, alla riorganizzazione del citoscheletro, alla segnalazione paracrina e al rimodellamento della matrice extracellulare.
L’obiettivo non è quindi trovare semplicemente una molecola presente o assente.
Si cerca di ricostruire una sequenza di eventi.
Il tumore invia un segnale, la cellula staminale lo percepisce, modifica il proprio comportamento, si sposta e può successivamente alterare il tipo di molecole che produce.
Quelle nuove molecole possono a loro volta influenzare le cellule tumorali.
Da qui nasce il concetto di comunicazione bidirezionale.
Un lavoro che coinvolge più gruppi della Rowan University
Il progetto riunisce competenze differenti.
Andrea Vernengo guida la parte dedicata ai biomateriali, alla biofabbricazione e alla biostampa.
Tae Won B. Kim, professore associato di Orthopaedic Surgery presso la Cooper Medical School of Rowan University, partecipa come co-principal investigator.
Kim lavora anche come oncologo ortopedico presso Cooper University Health Care e MD Anderson Cancer Center at Cooper.
La sua esperienza clinica sul condrosarcoma ha contribuito a orientare verso il tumore una piattaforma che Vernengo aveva inizialmente sviluppato nel contesto della cartilagine e della rigenerazione dei tessuti.
Sophia Orbach partecipa alle analisi dell’RNA a singola cellula.
Susy Kohout, associate professor di Biomedical Sciences presso la Cooper Medical School of Rowan University, è coinvolta nell’analisi dei meccanismi molecolari associati al cambiamento delle cellule staminali.
Il valore del modello dipende proprio dall’integrazione tra bioingegneria, oncologia ortopedica, biologia molecolare e analisi genomica.
Perché non basta osservare il tumore da solo
Una parte consistente della ricerca oncologica si è concentrata storicamente sulle caratteristiche intrinseche della cellula cancerosa.
Mutazioni, proliferazione, capacità di sopravvivere e resistenza ai farmaci rimangono elementi fondamentali.
La ricerca contemporanea attribuisce però un peso crescente anche alle interazioni con il microambiente.
Due cellule tumorali geneticamente simili possono comportarsi in maniera differente se inserite in ambienti differenti.
Matrice extracellulare, disponibilità di nutrienti, ossigeno e segnali provenienti dalle cellule vicine contribuiscono a determinare il comportamento del tumore.
Questo è uno dei motivi per cui i modelli tridimensionali vengono studiati come complemento alle colture bidimensionali.
Non riproducono integralmente un tumore umano, ma consentono di introdurre alcune caratteristiche che in una piastra tradizionale sono difficili da rappresentare.
Una possibile piattaforma anche per studiare nuovi farmaci
Il finanziamento NIH è dedicato soprattutto alla comprensione della comunicazione tra condrosarcoma e MSC.
La prospettiva a lungo termine è però più ampia.
Se il gruppo riuscirà a identificare segnali molecolari essenziali per la trasformazione funzionale delle cellule staminali, questi meccanismi potrebbero diventare oggetto di ulteriori studi terapeutici.
Invece di colpire esclusivamente la cellula tumorale, una strategia futura potrebbe cercare di interrompere alcune comunicazioni tra il tumore e il microambiente.
Il modello potrebbe inoltre diventare utile per valutare sperimentalmente molecole candidate.
In questo scenario si potrebbe osservare non soltanto se un farmaco riduce la sopravvivenza delle cellule tumorali, ma anche se modifica la capacità del tumore di attirare o riprogrammare le cellule circostanti.
Si tratta comunque di un percorso di ricerca preclinica.
Il modello EXPECT non rappresenta un trattamento per i pazienti e i risultati del progetto dovranno essere verificati attraverso ulteriori studi prima di poter generare applicazioni cliniche.
La biostampa come strumento di ricerca, non soltanto come fabbricazione di tessuti
Il progetto della Rowan University mostra anche come il termine biostampa 3D stia assumendo un significato più ampio.
Una delle immagini più conosciute della biostampa è quella di un futuro nel quale organi e tessuti possano essere prodotti per sostituire strutture biologiche danneggiate.
La biofabbricazione viene però utilizzata anche per un obiettivo molto diverso: costruire strumenti sperimentali.
In questo caso non si cerca di produrre un pezzo di cartilagine da impiantare.
Si costruisce deliberatamente un ambiente semplificato nel quale alcune variabili possono essere controllate meglio rispetto a ciò che sarebbe possibile nell’organismo.
La geometria del modello, la distanza tra le cellule, la composizione dell’idrogel e la temperatura diventano parametri sperimentali.
La stampa 3D permette di riprodurre queste condizioni da un campione all’altro.
La differenza tra imitare un tumore e ricostruire una sua funzione
EXPECT non pretende di ricreare completamente un condrosarcoma umano.
Un tumore reale possiede vascolarizzazione, cellule immunitarie, gradienti di ossigeno, caratteristiche meccaniche, numerosi tipi cellulari e una storia biologica che un modello di laboratorio non può replicare integralmente.
Il punto del progetto è più specifico.
I ricercatori vogliono isolare una funzione particolare del microambiente: il dialogo prolungato tra cellule del condrosarcoma e cellule staminali mesenchimali.
Ridurre il numero delle variabili può essere un vantaggio sperimentale.
Permette di attribuire con maggiore precisione un cambiamento osservato a una determinata interazione.
La complessità può essere aggiunta in seguito, introducendo nuove popolazioni cellulari o modificando la struttura del materiale.
Una piattaforma per rendere visibile una comunicazione invisibile
La parte più interessante del progetto della Rowan University risiede quindi nell’unione tra tre livelli di osservazione.
La biostampa 3D stabilisce dove si trovano inizialmente le cellule.
La microscopia permette di osservare dove si spostano.
Il single-cell RNA sequencing aiuta a capire come cambia la loro attività molecolare.
Questi dati possono essere combinati per verificare se l’avvicinamento delle cellule staminali al tumore coincide con un cambiamento della loro identità biologica.
Il finanziamento del National Cancer Institute è iniziato nel maggio 2026 e proseguirà fino alla primavera del 2028.
Nei prossimi due anni il gruppo dovrà quindi verificare sperimentalmente se il modello EXPECT riesce a descrivere la comunicazione bidirezionale ipotizzata e quali percorsi molecolari risultano coinvolti.
Più che produrre una copia fisica del tumore, la stampa 3D viene utilizzata per rendere misurabile una relazione tra cellule.
È una distinzione importante: il valore del modello non deriva dalla somiglianza visiva con un tessuto umano, ma dalla capacità di controllare spazio, tempo e condizioni di coltura mentre cellule tumorali e cellule staminali modificano reciprocamente il proprio comportamento.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
