• biomaterials
• bone metastases
• breast cancer
• osteoblastogenesis
• osteoclastogenesis

Il tumore al seno è la neoplasia più frequente nelle donne e rappresenta la seconda causa di morte. Una delle principali complicanze del tumore al seno è la metastasi ossea, di cui le metastasi litiche rappresentano una forma particolarmente aggressiva. Le caratteristiche biochimiche e fisiche dell'osso lo rendono un habitat ideale per la crescita dei tumori, fungendo da "terreno" per i loro "semi". Il dialogo tra cellule tumorali ed elementi ossei che si sviluppa durante le metastasi litiche, chiamato "ciclo vizioso", è particolarmente intrigante. In breve, le cellule tumorali secernono molecole specifiche (PTHrP, citochine e altri fattori di crescita) che inducono l'osteoclastogenesi e il riassorbimento osseo. D'altra parte, una serie di sostanze immagazzinate nella matrice ossea vengono rilasciate a seguito della degenerazione ossea, e queste sostanze aiutano le cellule tumorali a sopravvivere e a crescere. La formazione di metastasi ossee provoca dolore e debolezza, con un rischio maggiore di fratture patologiche per i pazienti.
Per comprendere meglio le metastasi ossee litiche del cancro al seno e sviluppare nuove terapie efficaci, sono stati sviluppati diversi modelli in vitro e in vivo. Tra questi, i modelli 3D sono particolarmente utili perché riproducono più fedelmente l'ambiente tridimensionale del tessuto osseo e le interazioni tra cellule tumorali e cellule ossee. Il modello di co-coltura, in cui cellule tumorali e cellule ossee sono coltivate insieme, è uno dei modelli 3D più spesso utilizzati per la ricerca delle metastasi ossee litiche. Grazie a questo modello, è possibile studiare come le cellule tumorali interagiscono con il tessuto osseo circostante e valutare l'efficacia di nuovi trattamenti.
In questo studio è stata utilizzata una pasta biomimetica che riproduce tutte le caratteristiche dell'osso. Sono stati sviluppati due diversi tipi di dispositivi funzionalizzati: uno con un anticorpo monoclonale mirato a RANKL (componente cruciale nella maturazione degli osteoclasti) per incoraggiare la rigenerazione ossea e l'altro con doxorubicina, un'antraciclina, per eliminare le cellule tumorali. In primo luogo, abbiamo studiato la capacità di questo dispositivo di supportare la crescita e la differenziazione delle cellule ossee (osteoclasti e osteoblasti). Poi abbiamo studiato l'interazione e la relazione tra l'osso, le sue cellule e le cellule MDA-MB231 (linea di cancro al seno triplo negativo). I dati acquisiti indicano che i cementi ossei possono supportare lo sviluppo osteoblastico e osteoclastico e garantire la sopravvivenza di tutti i tipi di cellule esaminati. I cementi funzionalizzati con doxorubicina interferiscono con la sopravvivenza sia delle cellule tumorali che di quelle ossee (in particolare gli osteoblasti), mentre i dispositivi funzionalizzati con l'anticorpo anti-RANKL inibiscono la formazione degli osteoclasti, come evidenziato dall'assenza di preosteoclasti e dalla diminuzione di TRAP; l'anticorpo mostra anche un effetto limitato sugli osteoblasti, nei quali si rileva una riduzione della deposizione di osteocalcina. Poiché lo scopo del progetto è quello di testare i cementi medicati su cellule ossee e tumorali e di studiare la possibilità di combinare chemioterapia e medicina rigenerativa, i risultati ottenuti hanno convalidato l'ipotesi iniziale, ma sono necessarie ulteriori indagini per esaminare correttamente i legami tra le componenti biologiche e i farmaci.

Abstract Breast cancer is the most frequent neoplasms in women and it represents the second cause of death. One of the main complication of breast cancer is bone metastasis, with lytic metastases representing a particularly aggressive form. Bone's biochemical and physical characteristics make it an ideal habitat for tumor growth, acting as a soil for their seeds. The tumor cells and bone elements crosstalk developing during lytic metastasis, called "vicious cycle," is particularly intriguing. Briefly, tumor cells secrete specific molecules (PTHrP, cytokines, and other growth factors) that induce osteoclastogenesis and bone resorption. On the other hand, a number of substances stored in bone matrix are released as a result of bone degeneration, and these substances help cancer cells survive and grow. Bone metastasis formation leads to pain and weakness, with a major risk of pathological fractures for patients. To better understand lytic bone metastasis from breast cancer and to develop new effective therapies, several in vitro and in vivo models have been developed. Among these, 3D models are particularly useful because they more closely reproduce the three-dimensional environment of bone tissue and the interactions between tumor cells and bone cells. The co-culture model, in which tumor cells and bone cells are cultivated together, is one of the most often utilized 3D models for researching lytic bone metastases. With the use of this model, it is feasible to investigate how tumor cells interact with the bone tissue around them and evaluate the effectiveness of novel treatments. In this study a biomimetic paste recapitulating all the bone features was used. Two different kind of functionalized devices were developed: one with a monoclonal antibody targeting RANKL(crucial component in osteoclasts maturation) to encourage bone regeneration, and the other with doxorubicin, an anthracycline in order to eradicate cancer cells. Firstly, we investigated the capability of this device to support growth and bone cell differentiation (osteoclasts and osteoblasts). Then we investigated the interaction and the relationship between bone, its cells and the MDA-MB231 cells (triple negative breast cancer line). The acquired data indicate that bone cements can support osteoblastic and osteoclastic development and guarantee the survival of all cell types examined. Cements functionalized with doxorubicin interfere with the survival of both tumor and bone cells (notably osteoblasts) while devices functionalized with the anti-RANKL antibody inhibit osteoclast formation, as evidenced by the absence of preosteoclasts and the decrease in TRAP; the antibody also exhibits a limited effect on osteoblasts, in which a reduction in osteocalcin deposition is detected. Since the purpose of the project is to test the medicated cements on bone cells and tumor cells and to investigate the possibility to combine chemotherapy and regenerative medicine, the results obtained validated the initial hypothesis, however further investigations are needed to properly examine the links between the biological components and the drugs.