3D-bioprinted hybrid hydrogels simulating the extracellular matrix dynamics in vitro

The extracellular matrix (ECM) is a non-cellular component of all biological tissues representing the physical environment surrounding cells and enabling structural and signaling functions. It is made up of proteins including collagen, elastin, and fibronectin, as well as glycosaminoglycans (GAGs). It is a dynamic milieu in which the variation of composition and physical features promote tumor development and invasiveness. Given its crucial role, we are interested in the generation of in vitro tissue mimetics useful for cell biology studies and drug testing. Nonetheless, it is extremely challenging to reproduce the ECM microenvironment, hybrid hydrogels are considered useful tools in mimicking its complexity. As a matter of fact, hydrogels find several applications escalating more and more interest in Tissue Engineering and Regenerative Medicine purposes. To that end, we dissect the various parameters that made the ECM so crucial, synthesizing a library of hydrogels able to mimic the biochemical motifs and the physical features of the ECM to provide a supportive three-dimensional environment for cells facilitating adhesion, migration, and signaling. The thesis comprises several chapters that provide a detailed description of the different research projects I dealt with during the three years of doctoral studies. The various chapters are linked throughout the manuscript by the fil rouge of the preparation, characterization, and, more importantly, for their final application. Indeed, they can be used as promising 3D hydrogels able to mimic the extracellular matrix in vitro and pave the way to new glioblastoma multiforme (GBM) treatments. In conclusion, our studies highlight the importance of mechanical and biochemical stimuli on cellular behavior and the growing need to combine all these parameters to reproduce a functional 3D in vitro model. In this context, we believe that the development of 3D bioprinted hybrid hydrogels that simulate the dynamics of the ECM in vitro represents a significant advancement in the field of Tissue Engineering.

La matrice extracellulare (ECM) è la componente acellulare di tutti i tessuti biologici, rappresenta l'ambiente fisico che circonda le cellule e svolge sia funzioni strutturali che di segnalazione. Essa è principalmente costituita da proteine tra cui collagene, elastina e fibronectina, e da glicosaminoglicani (GAG). Si tratta di un ambiente dinamico in cui la variazione della composizione e delle caratteristiche fisiche favorisce lo sviluppo e l'invasività del tumore. Dato il suo ruolo cruciale, siamo interessati alla generazione di mimetici tissutali in vitro utili per studi di biologia cellulare e la sperimentazione di nuovi farmaci. Tuttavia, è estremamente difficile riprodurre il microambiente dell’ECM e gli idrogel ibridi sono considerati strumenti utili per imitarne la sua complessità. Di fatto, gli idrogel trovano diverse applicazioni che suscitano sempre più interesse nell’ingegneria tissutale e nella medicina rigenerativa. A tal fine, abbiamo analizzato i vari parametri che rendono l'ECM così cruciale, sintetizzando una libreria di idrogel in grado di imitare i motivi biochimici e le caratteristiche fisiche dell'ECM per fornire un ambiente tridimensionale di supporto per le cellule, facilitando l'adesione, la migrazione e la segnalazione. La tesi comprende diversi capitoli che forniscono una descrizione dettagliata dei diversi progetti di ricerca di cui mi sono occupata durante i tre anni di studi di dottorato. I vari capitoli sono legati in tutto il manoscritto dal filo conduttore della preparazione, della caratterizzazione e, soprattutto, della loro applicazione finale. Infatti, possono essere utilizzati come materiali promettenti per imitare la matrice extracellulare in vitro e aprire la strada a nuovi trattamenti per il glioblastoma multiforme (GBM). In conclusione, i nostri studi evidenziano l’importanza degli stimoli meccanici e biochimici sul comportamento cellulare e la crescente necessità di combinare tutti questi parametri per riprodurre un modello 3D funzionale in vitro. In questo contesto, riteniamo che lo sviluppo di idrogel ibridi biostampati in 3D che simulano la dinamica dell’ECM in vitro rappresenti un progresso significativo nel campo dell’ingegneria tissutale.