[en] Biotensegrity is a physical self-balancing principle in which tension and compression forces sustain biological structures and allow signal mechanotransduction during cell-cell and cell-environment interactions. In this way, cells and tissues respond to their environment conditions, and subsequently adapt to it. In this sense, cancer diseases display their own aberrant biotensegral systems that drive carcinogenesis and disease evolution. Tumor biotensegrity is defined by the intercommunication between tumor cell populations, extracellular matrix elements, and tumor microenvironment structures and molecules. In recent years, digital pathology and artificial intelligence inclusion in medicine have allowed the study of biotensegral interactions in translational oncology. However, the complexity of human samples has shifted cancer research toward the use of experimental models, typically based on in vivo murine models or in vitro monolayer cell cultures. Alternatively, tissue engineering has allowed developing new experimental models, based on in vitro three-dimensional adjustable platforms, which allow reproducing tumor biotensegrity in a simple, controllable, and precise way. Following the expertise of our lab in the study of the extracellular matrix of neuroblastoma, the most common extracranial solid tumor in childhood, this thesis initiates a research line by applying digital image analysis in neuroblastoma in vitro three-dimensional models to evaluate the biotensegral effect of tumor microenvironment on neuroblastoma aggressiveness. Thus, this work is presented as a compendium of the following three scientific publications and complementary data, where cell cultures and cocultures relevant to neuroblastoma are developed in hydrogels: I. A three-dimensional bioprinted model to evaluate the effect of stiffness on neuroblastoma cell cluster dynamics and behavior. Monferrer E*, Martín-Vañó S*, Carretero A*, García-Lizarribar A, Burgos-Panadero R, Navarro S, Samitier J, Noguera R. Sci Rep. 2020 Apr 14;10(1):6370. II. Digital Image Analysis Applied to Tumor Cell Proliferation, Aggressiveness, and Migration-Related Protein Synthesis in Neuroblastoma 3D Models. Monferrer E*, Sanegre S*, Martín-Vañó S, García-Lizarribar A, Burgos-Panadero R, López-Carrasco A, Navarro S, Samitier J, Noguera R. Int J Mol Sci. 2020 Nov 17;21(22):8676. III. Vitronectin-based hydrogels recapitulate neuroblastoma growth conditions. Monferrer E*, Dobre O*, Trujillo S, González Oliva MA, Trubert-Paneli A, Acevedo-León D, Noguera R, Salmerón-Sánchez M. Front. Cell Dev. Biol. 2022 Oct 11;10:988699. We highlight the need of 3D conditions for cell culture and the role of the extracellular matrix stiffness when recapitulating the mechanical cues that trigger cell adaptation response over time, such as changes in proliferation and mRNA metabolism activity. Evaluating migration-related protein synthesis, we evince distinctive behavior of aggressive neuroblastoma cell lines depending on their genetic characteristics, as well as on the presence of stromal cells. Finally, we reproduce part of the high-risk neuroblastoma extracellular matrix by incorporating full-length vitronectin within the hydrogels and seek to characterize the impact of this specific microenvironment on neuroblastoma cells. We conclude that tumor behavior changes driven by biotensegrity mechanotransduction evolve differently regarding the system characteristics, making them extremely complex and difficult to predict in vivo. Accordingly, basic cancer models recreating biotensegral aspects need to be developed before generating fully pathophysiological platforms, since the former will provide accurate knowledge of specific biotensegrity mechanisms regulating tumor behavior that could be therapeutically targeted in preclinical studies performed on these platforms.

[es] La biotensegridad es un principio físico de autoequilibrio en el que las fuerzas de tensión y compresión sostienen las estructuras biológicas y permiten la mecanotransducción de señales durante las interacciones célula-célula y célula-entorno. De esta manera, las células y los tejidos responden a las condiciones de su entorno y se adaptan a él. En este sentido, el cáncer muestra sus propios sistemas biotensegrales aberrantes que impulsan la carcinogénesis y la evolución de la enfermedad. La biotensegridad tumoral se define por la intercomunicación entre las poblaciones de células tumorales, los elementos de la matriz extracelular y las estructuras y moléculas del microambiente tumoral. En los últimos años, la inclusión de la patología digital y la inteligencia artificial en la medicina han permitido el estudio de las interacciones biotensegrales en la oncología traslacional. Tradicionalmente, la complejidad de las muestras humanas ha dirigido la investigación del cáncer hacia el uso de modelos experimentales, generalmente basados en modelos murinos in vivo o cultivos de células en monocapa in vitro. Actualmente, la ingeniería de tejidos permite desarrollar nuevos modelos experimentales, basados en plataformas tridimensionales ajustables in vitro, que posibilitan reproducir la biotensegridad tumoral de forma sencilla, controlable y precisa. Siguiendo la experiencia de nuestro laboratorio en el estudio de la matriz extracelular del neuroblastoma, el tumor sólido extracraneal más común en la infancia, esta tesis inicia una línea de investigación mediante la aplicación de análisis de imágenes digitales en modelos tridimensionales in vitro de neuroblastoma para evaluar el efecto biotensegral del microambiente tumoral sobre la agresividad del neuroblastoma. Este trabajo se presenta como un compendio de las siguientes tres publicaciones científicas y otros datos complementarios, donde se desarrollan cultivos celulares y cocultivos relevantes para neuroblastoma en hidrogeles: I. A three-dimensional bioprinted model to evaluate the effect of stiffness on neuroblastoma cell cluster dynamics and behavior. Monferrer E*, Martín-Vañó S*, Carretero A*, García-Lizarribar A, Burgos-Panadero R, Navarro S, Samitier J, Noguera R. Sci Rep. 2020 Apr 14;10(1):6370. II. Digital Image Analysis Applied to Tumor Cell Proliferation, Aggressiveness, and Migration-Related Protein Synthesis in Neuroblastoma 3D Models. Monferrer E*, Sanegre S*, Martín-Vañó S, García-Lizarribar A, Burgos-Panadero R, López-Carrasco A, Navarro S, Samitier J, Noguera R. Int J Mol Sci. 2020 Nov 17;21(22):8676. III. Vitronectin-based hydrogels recapitulate neuroblastoma growth conditions. Monferrer E*, Dobre O*, Trujillo S, González Oliva MA, Trubert-Paneli A, Acevedo-León D, Noguera R, Salmerón-Sánchez M. Front. Cell Dev. Biol. 2022 Oct 11;10:988699. En ellos, destacamos la necesidad de las condiciones 3D para el cultivo celular y el papel de la rigidez de la matriz extracelular para recapitular las señales mecánicas que desencadenan la respuesta de adaptación celular a lo largo del tiempo, como los cambios en la proliferación y la actividad del metabolismo del ARNm. Al evaluar la síntesis de proteínas relacionadas con la migración, evidenciamos un comportamiento distintivo de líneas celulares de neuroblastoma agresivas según sus características genéticas, así como de la presencia de células estromales en los modelos. Finalmente, reproducimos parte de la matriz extracelular del neuroblastoma de alto riesgo mediante la incorporación de vitronectina en los hidrogeles y buscamos caracterizar el impacto de este microambiente específico en las células del neuroblastoma. Concluimos que los cambios de comportamiento del tumor impulsados por la mecanotransducción de señales biotensegrales evolucionan de manera diferente dependiendo de las características del sistema, haciéndolos extremadamente complejos y difíciles de predecir in vivo. En consecuencia, es necesario desarrollar modelos tumorales básicos que recreen aspectos biotensegrales antes de generar plataformas completamente fisiopatológicas, ya que únicamente los primeros proporcionarán un conocimiento preciso de los mecanismos específicos de biotensegridad que regulan el comportamiento tumoral que podrían ser objeto terapéutico en estudios preclínicos realizados en estas plataformas.