Ingegneria tumorale
Panoramica
Il cancro non è solo una malattia genetica, ma è influenzato anche dalle forze fisiche e dalle proprietà meccaniche di cellule e tessuti. Comprendere come queste forze influenzano la crescita tumorale, la metastasi e la resistenza ai farmaci ha aperto nuove strade nella ricerca oncologica. La Core Facility di Ricerca e Sviluppo in Ingegneria del Cancro (Cancer Engineering R&D) fornisce ai ricercatori tecnologie avanzate di microfabbricazione e stampa 3D, permettendo lo sviluppo di modelli sperimentali e strumenti diagnostici che colmano il divario tra ricerca di base e applicazioni cliniche.
La Core Facility di Ricerca e Sviluppo in Ingegneria del Cancro di IFOM sviluppa tecnologie e dispositivi biomedici innovativi per far progredire la ricerca sul cancro e le sue applicazioni cliniche. Integrando competenze in biologia, fisica, ingegneria e scienza dei materiali, la facility crea strumenti all’avanguardia per studiare le proprietà meccaniche delle cellule tumorali, la progressione del tumore e la risposta alle terapie.
La Cancer Engineering R&D Core Facility supporta una vasta gamma di progetti di ricerca, concentrandosi sullo sviluppo e sull’applicazione di tecnologie biomediche avanzate. Le principali aree di attività includono:
Sistemi microfluidici per la ricerca sul cancro
- Sviluppo di chip microfluidici per modellare la crescita tumorale, l’angiogenesi e la metastasi.
- Isolamento e rilevamento delle cellule tumorali circolanti (CTC) da sangue di pazienti, per applicazioni diagnostiche.
Biomeccanica e analisi a singola cellula
- Utilizzo di microscopia a forza atomica (AFM) e altre tecnologie per misurare le proprietà meccaniche delle cellule tumorali, con potenziale impiego come biomarcatori per la diagnosi precoce.
- Progettazione di dispositivi per allungamento e compressione cellulare, per studiare come le forze meccaniche influenzano la progressione del cancro.
Modelli tumorali 3D e microfabbricazione
- Sviluppo di modelli tumorali tridimensionali in vitro che replicano il microambiente tumorale, per screening farmacologici.
- Fabbricazione di superfici micropatternate su misura per lo studio della migrazione cellulare singola e collettiva.
La Facility collabora attivamente con i principali gruppi di ricerca di IFOM, applicando soluzioni ingegneristiche all’avanguardia alla ricerca oncologica fondamentale e traslazionale.
La Core Facility di Cancer Engineering R&D è dotata di tecnologie avanzate per la microfabbricazione, la stampa 3D, la biomeccanica cellulare e la preparazione di superfici e dispositivi microstrutturati. Di seguito, l’elenco delle principali strumentazioni disponibili:
Stampa 3D e Post-processing
- Formlabs Form 3 –Stampante 3D a resina SLA di qualità industriale, ideale per la prototipazione ad alta risoluzione
- Formlabs Form 2 – Stampante 3D SLA per stampe di precisione, adatta a piccole geometrie e dettagli fini
- Ultimaker (Makerbot) – Stampante 3D FDM di alta qualità per la realizzazione rapida di prototipi in materiali termoplastici
- WASP Delta 2040 – Stampante 3D professionale per grandi volumi, ideale per materiali tecnici e sperimentali
- Formlabs Wash Station – Sistema di lavaggio automatizzato per la post-elaborazione dei modelli stampati in resina.
Microscopia e biomeccanica
- JPK NanoWizard 3 (Bruker) – Microscopio a forza atomica (AFM) ad alta sensibilità per l’analisi meccanica a singola cellula.
Microfabbricazione e trattamento superfici
- KLOE UV-KUB 3 -Sistema di esposizione UV LED per fotolitografia su materiali sensibili, ideale per la fabbricazione di microstrutture
- Gamma High Voltage - HV Power Electrospinning Machine - Sistema ad alto voltaggio per l’elettrofilatura, per la produzione di nanofibre e scaffold.
- Harrick PDC-32G-2 - Plasma cleaner per la modifica superficiale e la pulizia di precisione di substrati.
- Laurell WS-650Mz - SSpin coater per la deposizione uniforme di film sottili tramite centrifugazione, usato in fotolitografia
- Jelight UVO-Cleaner Model 342 – Sistema UV per la pulizia e attivazione di superfici tramite ossidazione a luce ultravioletta.
- Valtaro Motori MM71A4 – Pompa per vuoto a secco ad alte prestazioni, utilizzata nei processi di deposizione e trattamento dei materiali.
- Cell stretching dish, European Patent application n. PCT/EP2018/053477, 2017
- Cell compression device, European Patent application n. EP172000564, 2018
- C. Malinverno, S. Corallino, F. Giavazzi, M. Bergert, Q. Li, M. Leoni, A. Disanza, E. Frittoli, A. Oldani, E. Martini, T. Lendenmann, G. Deflorian, G. V. Beznoussenko, D. Poulikakos, K. H. Ong, M. Uroz, X. Trepat, D. Parazzoli, P. Maiuri, W. Yu, A. Ferrari, R. Cerbino, G. Scita, 2017
Endocytic reawakening of motility in jammed epithelia
Nature Material, v. 16, p. 587-596. - Q. Li, E. Makhija, F. M. Hameed, and G. V. Shivashankar, 2015
Micropillar displacements by cell traction forces are mechanically correlated with nuclear dynamics
Biochemical and Biophysical Research Communications, v. 461, p. 372-377. - X. Shao*, Q. Li*, A. Mogilner, A. D. Bershadsky, and G. V. Shivashankar, 2015
Mechanical stimulation induces formin-dependent assembly of a perinuclear actin rim
Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, v. 112, p. E2595-E2601. - Q. Li, A. Kumar, E. Makhija, and G. V. Shivashankar, 2014
The regulation of dynamic mechanical coupling between actin cytoskeleton and nucleus by matrix geometry
Biomaterials, v. 35, p. 961-969. - F. Y. Leong, Q. Li, C.T. Lim, and K. H. Chiam, 2011
Modeling cell entry into a micro-channel
Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, v. 10, p. 755-766. - S. J. Tan, Q. Li, C. T. Lim, and G. V. Shivashankar, 2010
Manipulation and isolation of single cells and nuclei
Nuclear Mechanics and Genome Regulation, v. 98, p. 79-96. - Q. Li, C. T. Lim, 2010
Structure mechanical property changes in nucleus arising from breast cancer
Cellular and Biomolecular Mechanics and Mechanobiology, v. 4, p. 465-475. - H. W. Hou, Q. Li, G. Y. H. Lee, A. P. Kumar, C. N. Ong, and C. T. Lim, 2009
Deformability study of breast cancer cells using microfluidics
Biomedical Microdevices, v. 11, p. 557-564. - Q. Li, G. Y. H. Lee, C. N. Ong, and C. T. Lim, 2008
AFM indentation study of breast cancer cells
Biochemical and Biophysical Research Communications, v. 374, p. 609-613. 1.
MechanoMedicine Instruments
Automated cell stretcher
Novel cell stretching device created by 3D printing
Micropillars
High resolution live cell imaging of cells on micropillar substrate
Compression step
Novel design of cell compression device to study actin and nucleus under compression stress
Microchannel
Cells migrated through microfabricated channels
Compression actin
Compression stimulated actin dynamics at apical side of the cell
Qingsen Li
Qingsen Li è un ricercatore multidisciplinare con competenze in ingegneria meccanica, bioingegneria e meccanobiologia. Dal 2018 è responsabile della Core Facility di Cancer Engineering R&D a IFOM, dove sviluppa tecnologie biomediche avanzate per la ricerca sul cancro e le sue applicazioni cliniche.
Dopo la laurea in Ingegneria Meccanica all’Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong nel 2003, ha svolto un master in simulazione computazionale per l’ingegneria dei ponti. Il crescente interesse per la biologia lo ha portato all’Università Nazionale di Singapore, dove ha conseguito un dottorato in Bioingegneria nel 2010 sotto la guida del Prof. Chwee Teck Lim. Il suo lavoro di dottorato ha fornito contributi pionieristici nello studio della meccanica cellulare tumorale, dimostrando che le cellule del tumore mammario sono più morbide di quelle sane, e ha sviluppato dispositivi microfluidici per l’identificazione ad alta efficienza delle cellule tumorali.
Successivamente ha lavorato al Mechanobiology Institute di Singapore, concentrandosi sulle interazioni tra le cellule e l’ambiente fisico. Attraverso tecniche avanzate di microfabbricazione, ha mostrato che le forze meccaniche possono regolare la struttura e la funzione del nucleo cellulare, rivelando un legame diretto tra segnali meccanici esterni e segnali intracellulari.
Nel 2015 è entrato nel laboratorio di Marco Foiani a IFOM, dove ha introdotto l’uso della stampa 3D e della microfabbricazione per sviluppare nuovi strumenti di meccanobiologia, inclusi dispositivi per stiramento e compressione cellulare. Oggi, come responsabile della Core Facility, guida l’innovazione all’intersezione tra fisica, ingegneria e ricerca oncologica, sviluppando tecnologie che potenziano la comprensione della biologia tumorale e delle sue implicazioni cliniche.