Guerrero López, Paula
García Aznar, José Manuel (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2025
Resumen: El cáncer es una de las principales causas de muerte en el mundo y la búsqueda de tratamientos eficaces sigue siendo uno de los principales objetivos de investigadores de todo el mundo. Entre los numerosos enfoques en la investigación oncológica, este trabajo se centra en los cultivos celulares tridimensionales (3D). Los modelos convencionales in vitro, como los cultivos en 2D, presentan fuertes limitaciones para reproducir la complejidad del microambiente tumoral, que incluye gradientes espaciales de nutrientes y oxígeno, interacciones célula–célula y la influencia de la matriz extracelular (ECM). Los sistemas de cultivo 3D basados en microfluídica ofrecen una mayor relevancia fisiológica al imitar estas características de forma más precisa. Aunque el metabolismo alterado del cáncer ha sido ampliamente estudiado, principalmente en relación con la glucosa, cada vez hay más evidencias de que la rigidez de la ECM también desempeña un papel clave en la regulación del metabolismo celular. Esto es especialmente importante, dado que los tumores suelen presentar microambientes anormalmente rígidos. A pesar de los avances en los modelos 3D, aún no se ha desentrañado completamente la interacción de las propiedades mecánicas de la ECM y la disponibilidad de nutrientes con la regulación del metabolismo celular. Esta tesis trata de abordar esa laguna de conocimiento mediante la integración de plataformas de cultivo celular microfluídicas con ensayos metabólicos dinámicos.
En la primera parte de este trabajo, optimizamos un modelo de cultivo 3D basado en microfluídica que permite monitorizar en tiempo real el crecimiento tumoral y su metabolismo. Utilizando este sistema, analizamos cuantitativamente la proliferación celular y el consumo de metabolitos clave (glucosa, glutamina y lactato), lo que reveló marcadas diferencias metabólicas entre modelos 2D y 3D. Los esferoides en 3D mostraron una proliferación más lenta pero un mayor consumo de glucosa por célula y una mayor producción de lactato, lo que indica un efecto Warburg intensificado. También investigamos el papel de las propiedades mecánicas de la ECM cultivando células tumorales en matrices con distinta rigidez y composición. Cada línea celular mostró un crecimiento preferente en condiciones específicas de ECM. Los ensayos con el Seahorse confirmaron alteraciones en los fenotipos metabólicos, incluyendo una reducción en la flexibilidad metabólica en matrices más rígidas. Experimentos adicionales bajo diferentes niveles de glutamina, glucosa y oxígeno revelaron que la falta de glutamina afecta gravemente la viabilidad celular, la limitación de glucosa detiene la proliferación y la hipoxia altera la estructura de los esferoides, destacando cómo cada nutriente ejerce efectos distintos sobre la formación tumoral. En conjunto, estos hallazgos subrayan la necesidad de considerar tanto las características de la ECM como los gradientes de nutrientes en los modelos tumorales.
La parte final de esta tesis se centra en la aplicación de nuestro modelo microfluídico 3D para evaluar nanopartículas (NPs) metálicas como posibles terapias contra el cáncer. En primer lugar, se probaron nanocatalizadores basados en enzimas utilizando nanopartículas de magnetita diseñadas para agotar nutrientes esenciales como la glucosa y generar especies reactivas de oxígeno (ROS), obteniéndose resultados muy prometedores, ya que la viabilidad celular se vio fuertemente comprometida. Además, se llevó a cabo un cribado de distintas NPs basadas en cobre, analizando sus efectos sobre la proliferación, viabilidad, invasividad y los marcadores de transición epitelio-mesénquima (EMT). Los resultados mostraron que estas NPs afectaban gravemente no solo al crecimiento y la viabilidad tumoral, sino también a la capacidad invasiva. Finalmente, se evaluaron NPs de platino PEGiladas diseñadas para activar prodrogas mediante catálisis bioortogonal. Estas nanoestructuras activaron exitosamente la prodroga dentro del chip microfluídico, produciendo una fuerte reducción en el crecimiento de los esferoides. En conjunto, este trabajo demuestra la versatilidad de los sistemas microfluídicos 3D, no solo como modelos avanzados para el estudio del metabolismo tumoral, sino también como plataformas potentes para la evaluación de nanotratamientos con un mayor control y relevancia traslacional.
Resumen (otro idioma): Cancer is one of the leading causes of death worldwide and the search for effective treatments remains a primary objective for researchers across the globe. Among the many approaches in cancer research, this work focuses on three-dimensional (3D) cell cultures. Conventional in vitro models such as two dimensional (2D) cultures fail to reproduce the complexity of the tumor microenvironment, which includes spatial gradients of nutrients and oxygen, cell–cell interactions, and the influence of the extracellular matrix (ECM). Microfluidic-based 3D culture systems offer improved physiological relevance by mimicking these features more accurately. While the metabolic alterations of cancer cells have been extensively studied, primarily focusing on glucose, emerging evidence shows that ECM stiffness also plays a major role in regulating cellular metabolism. This is particularly important given that tumors often exhibit abnormally stiff microenvironments. Despite advances in 3D modelling, a complete understanding of how ECM mechanics and nutrient availability jointly regulate cancer cell metabolism is still lacking. This thesis addresses this knowledge gap by integrating advanced 3D culture microfluidic platforms with dynamic metabolic assays. In the first part of this work, we optimized a microfluidic-based 3D culture model that allows real-time monitoring of tumor growth and metabolism. Using this system, we quantitatively analysed cell proliferation and the consumption of key metabolites (glucose, glutamine, and lactate), what revealed marked metabolic differences between 2D and 3D cultures. Spheroids in 3D showed slower proliferation but greater per-cell glucose consumption and higher lactate production, indicating an intensified Warburg effect. We also investigated the role of ECM mechanical properties by culturing tumor cells in matrices of varying stiffness and composition. Each cancer cell line showed preferential growth in specific ECM conditions. Seahorse assays confirmed changes in metabolic phenotypes, including reduced metabolic flexibility in stiffer matrices. Additional experiments under varying glutamine, glucose and oxygen levels revealed that glutamine deprivation significantly impaired cell viability, glucose limitation arrested proliferation, and hypoxia disrupted spheroid architecture, highlighting how each nutrient exerts distinct effects on tumor formation. Together, these findings emphasize the need to consider both ECM characteristics and nutrient gradients in tumor models. The final part of this thesis focuses on the application of our 3D microfluidic model to evaluate metal-based nanoparticles (NPs) as potential cancer therapies. Firstly, we tested enzyme-based nanocatalysts using magnetite nanoparticles designed to deplete essential nutrients such as glucose and generate reactive oxygen species (ROS), obtaining highly promising results, as cell viability was significantly compromised. In addition, we conducted a screening of different copper-based NPs, analysing their effects on proliferation, viability, invasiveness, and epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) markers. Results showed that these NPs strongly impaired not only tumor growth and viability but also invasive potential. Finally, we tested PEGylated platinum NPs designed to activate prodrugs via bioorthogonal catalysis. These nanostructures successfully activated the prodrug within the microfluidic chip, leading to a marked reduction in spheroid growth. Overall, this work demonstrates the versatility of 3D microfluidic systems, not only as advanced models for studying tumor metabolism but also as powerful platforms for testing nanotherapies with enhanced control and translational relevance.
En la primera parte de este trabajo, optimizamos un modelo de cultivo 3D basado en microfluídica que permite monitorizar en tiempo real el crecimiento tumoral y su metabolismo. Utilizando este sistema, analizamos cuantitativamente la proliferación celular y el consumo de metabolitos clave (glucosa, glutamina y lactato), lo que reveló marcadas diferencias metabólicas entre modelos 2D y 3D. Los esferoides en 3D mostraron una proliferación más lenta pero un mayor consumo de glucosa por célula y una mayor producción de lactato, lo que indica un efecto Warburg intensificado. También investigamos el papel de las propiedades mecánicas de la ECM cultivando células tumorales en matrices con distinta rigidez y composición. Cada línea celular mostró un crecimiento preferente en condiciones específicas de ECM. Los ensayos con el Seahorse confirmaron alteraciones en los fenotipos metabólicos, incluyendo una reducción en la flexibilidad metabólica en matrices más rígidas. Experimentos adicionales bajo diferentes niveles de glutamina, glucosa y oxígeno revelaron que la falta de glutamina afecta gravemente la viabilidad celular, la limitación de glucosa detiene la proliferación y la hipoxia altera la estructura de los esferoides, destacando cómo cada nutriente ejerce efectos distintos sobre la formación tumoral. En conjunto, estos hallazgos subrayan la necesidad de considerar tanto las características de la ECM como los gradientes de nutrientes en los modelos tumorales.
La parte final de esta tesis se centra en la aplicación de nuestro modelo microfluídico 3D para evaluar nanopartículas (NPs) metálicas como posibles terapias contra el cáncer. En primer lugar, se probaron nanocatalizadores basados en enzimas utilizando nanopartículas de magnetita diseñadas para agotar nutrientes esenciales como la glucosa y generar especies reactivas de oxígeno (ROS), obteniéndose resultados muy prometedores, ya que la viabilidad celular se vio fuertemente comprometida. Además, se llevó a cabo un cribado de distintas NPs basadas en cobre, analizando sus efectos sobre la proliferación, viabilidad, invasividad y los marcadores de transición epitelio-mesénquima (EMT). Los resultados mostraron que estas NPs afectaban gravemente no solo al crecimiento y la viabilidad tumoral, sino también a la capacidad invasiva. Finalmente, se evaluaron NPs de platino PEGiladas diseñadas para activar prodrogas mediante catálisis bioortogonal. Estas nanoestructuras activaron exitosamente la prodroga dentro del chip microfluídico, produciendo una fuerte reducción en el crecimiento de los esferoides. En conjunto, este trabajo demuestra la versatilidad de los sistemas microfluídicos 3D, no solo como modelos avanzados para el estudio del metabolismo tumoral, sino también como plataformas potentes para la evaluación de nanotratamientos con un mayor control y relevancia traslacional.
Resumen (otro idioma): Cancer is one of the leading causes of death worldwide and the search for effective treatments remains a primary objective for researchers across the globe. Among the many approaches in cancer research, this work focuses on three-dimensional (3D) cell cultures. Conventional in vitro models such as two dimensional (2D) cultures fail to reproduce the complexity of the tumor microenvironment, which includes spatial gradients of nutrients and oxygen, cell–cell interactions, and the influence of the extracellular matrix (ECM). Microfluidic-based 3D culture systems offer improved physiological relevance by mimicking these features more accurately. While the metabolic alterations of cancer cells have been extensively studied, primarily focusing on glucose, emerging evidence shows that ECM stiffness also plays a major role in regulating cellular metabolism. This is particularly important given that tumors often exhibit abnormally stiff microenvironments. Despite advances in 3D modelling, a complete understanding of how ECM mechanics and nutrient availability jointly regulate cancer cell metabolism is still lacking. This thesis addresses this knowledge gap by integrating advanced 3D culture microfluidic platforms with dynamic metabolic assays. In the first part of this work, we optimized a microfluidic-based 3D culture model that allows real-time monitoring of tumor growth and metabolism. Using this system, we quantitatively analysed cell proliferation and the consumption of key metabolites (glucose, glutamine, and lactate), what revealed marked metabolic differences between 2D and 3D cultures. Spheroids in 3D showed slower proliferation but greater per-cell glucose consumption and higher lactate production, indicating an intensified Warburg effect. We also investigated the role of ECM mechanical properties by culturing tumor cells in matrices of varying stiffness and composition. Each cancer cell line showed preferential growth in specific ECM conditions. Seahorse assays confirmed changes in metabolic phenotypes, including reduced metabolic flexibility in stiffer matrices. Additional experiments under varying glutamine, glucose and oxygen levels revealed that glutamine deprivation significantly impaired cell viability, glucose limitation arrested proliferation, and hypoxia disrupted spheroid architecture, highlighting how each nutrient exerts distinct effects on tumor formation. Together, these findings emphasize the need to consider both ECM characteristics and nutrient gradients in tumor models. The final part of this thesis focuses on the application of our 3D microfluidic model to evaluate metal-based nanoparticles (NPs) as potential cancer therapies. Firstly, we tested enzyme-based nanocatalysts using magnetite nanoparticles designed to deplete essential nutrients such as glucose and generate reactive oxygen species (ROS), obtaining highly promising results, as cell viability was significantly compromised. In addition, we conducted a screening of different copper-based NPs, analysing their effects on proliferation, viability, invasiveness, and epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) markers. Results showed that these NPs strongly impaired not only tumor growth and viability but also invasive potential. Finally, we tested PEGylated platinum NPs designed to activate prodrugs via bioorthogonal catalysis. These nanostructures successfully activated the prodrug within the microfluidic chip, leading to a marked reduction in spheroid growth. Overall, this work demonstrates the versatility of 3D microfluidic systems, not only as advanced models for studying tumor metabolism but also as powerful platforms for testing nanotherapies with enhanced control and translational relevance.
Pal. clave: microfluídica ; cáncer ; metabolismo celular ; entorno tridimensional ; biopantallas
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Biomédica
Plan(es): Plan 510
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 12 12 2025
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2025
Aportación del TFG/M a la Sostenibilidad: Garantizar una vida saludable y promover el bienestar para todos y todas en todas las edades. Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación.
Fecha de embargo : 2027-12-12
Enlace permanente:
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Registro creado el 2026-05-05, última modificación el 2026-05-05
