Forscher veröffentlichen Studie über 3D-gedruckte Brustkrebstumore

Forscher der Penn State University haben in einer bahnbrechenden Studie erfolgreich Brustkrebstumore in 3D nachgebildet und behandelt, um die Krankheit, die weltweit zu den häufigsten Todesursachen zählt, besser zu verstehen. Diese wissenschaftliche Errungenschaft legt den Grundstein für die präzise Herstellung von Tumormodellen. Dieser Fortschritt wird die künftige Erforschung und Entwicklung von Krebstherapien ohne In-vivo-Versuche – oder Versuche am Tier – ermöglichen.

“Dies wird uns helfen zu verstehen, wie menschliche Immunzellen mit soliden Tumoren interagieren”, sagte Ibrahim Ozbolat, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, biomedizinische Technik und Neurochirurgie an der Penn State und Hauptautor der Studie. “Wir haben ein Instrument entwickelt, das als klinische Testplattform zur sicheren und genauen Bewertung experimenteller Therapien dient. Es ist auch eine Forschungsplattform für Immunologen und Biologen, um zu verstehen, wie der Tumor wächst, wie er mit menschlichen Zellen interagiert und wie er metastasiert und sich im Körper ausbreitet.”

Ozbolats Labor ist auf den 3D-Druck spezialisiert, um eine Reihe von Geweben für den Einsatz in der menschlichen Gesundheit herzustellen. Zwei Zeitschriftenartikel über die Arbeit des Labors mit 3D-Bioprinting zur Erforschung von Brustkrebs wurden kürzlich in Advanced Functional Materials and Biofabrication veröffentlicht.

Die Forscher verwendeten eine relativ neue Technik namens aspirationsgestütztes Bioprinting, um Tumore in drei Dimensionen genau zu lokalisieren und das Gewebe zu erzeugen. Anschließend formten die Forscher das Gewebe zu einem mehrskaligen vaskularisierten Brusttumormodell mit Blutgefäßen, von dem sie feststellten, dass es auf Chemotherapie und zellbasierte Immuntherapeutika ansprach.

Das Team überprüfte zunächst die Genauigkeit seines Tumormodells, indem es es mit Doxorubicin behandelte, einem Chemotherapeutikum auf Anthrazyklinbasis, das häufig zur Behandlung von Brustkrebs eingesetzt wird. Da der bioprinted Tumor auf die Chemotherapie ansprach, testeten die Forscher in Zusammenarbeit mit Dr. Derya Unutmaz, einer Immunologin am Jackson Laboratory, eine zellbasierte immuntherapeutische Behandlung an dem Tumor.

Die Forscher verwendeten menschliche CAR-T-Zellen, die durch Gen-Editing so verändert wurden, dass sie eine aggressive Form von Brustkrebszellen erkennen und bekämpfen. Nachdem die editierten CAR-T-Zellen 72 Stunden lang durch den Tumor zirkuliert waren, stellten die Forscher fest, dass die Zellen innerhalb des bioprinted Tumors eine positive Immunreaktion ausgelöst hatten und die Krebszellen bekämpften.

“Unser Modell wird aus menschlichen Zellen hergestellt, aber es ist eine sehr vereinfachte Version des menschlichen Körpers”, sagte Ozbolat. “Es gibt viele Details in der nativen Mikroumgebung, die wir nicht nachbilden können und auch nicht nachbilden wollen. Wir streben nach Einfachheit in der Komplexität. Wir wollen ein grundlegendes Verständnis dafür erlangen, wie diese Systeme funktionieren – und wir müssen den Wachstumsprozess rationalisieren, denn wir haben keine Zeit, darauf zu warten, dass Tumore in ihrem natürlichen Tempo wachsen.”

Ozbolat erklärte, dass es trotz bemerkenswerter Fortschritte in der Krebsbehandlung an vorklinischen Plattformen für die Untersuchung experimenteller Krebsmedikamente mangelt. Die Tatsache, dass man sich auf klinische Studien verlassen müsse, um die Wirksamkeit von Behandlungen zu testen, schränke letztlich die erfolgreiche klinische Umsetzung von Krebsmedikamenten ein, sagte er. Die Entwicklung von Bioprint-Modellen könnte völlig neue Wege zum Verständnis der Mikroumgebung des Tumors und der Immunantwort des Körpers eröffnen.

“Es hat sich bereits gezeigt, dass die Immuntherapie eine vielversprechende Behandlung für hämatologische Malignome ist”, so Ozbolat. “Im Wesentlichen werden dem Patienten Immunzellen entnommen und gentechnisch so verändert, dass sie zytotoxisch für Krebszellen sind, und dann wieder in den Blutkreislauf des Patienten eingebracht. Der Blutkreislauf ist von entscheidender Bedeutung, da sich die veränderten Zellen im Körper bewegen müssen. Bei Tumoren gibt es diese Art der effektiven Zirkulation nicht, daher haben wir unser Modell entwickelt, um besser zu verstehen, wie Tumore auf eine Immuntherapie reagieren.”

Ozbolat und seine Kollegen arbeiten nun mit Tumoren, die echten Brustkrebspatientinnen entnommen wurden. Die Forscher werden Immuntherapeutika auf von Patienten stammende Tumore anwenden, um zu sehen, wie sie darauf reagieren.

“Dies ist ein wichtiger Schritt, um die Feinheiten der Krankheit zu verstehen, was unerlässlich ist, wenn wir neue Therapeutika und gezielte Therapien gegen Krebs entwickeln wollen”, so Ozbolat.

Die anderen Mitarbeiter an den Studien sind Madhuri Dey, Myoung Hwan Kim, Momoka Nagamine, Ece Karhan und Nazmiye Celik von der Penn State University sowie Mikail Dogan, Lina Kozhaya und Derya Unutmaz vom Jackson Laboratory for Genomic Medicine.

Die Immunzellen für die Forschung wurden kommerziell von einem vom IRB genehmigten Privatunternehmen erworben, das Leukopaks gesunder Erwachsener in deidentifizierter Form für Forschungszwecke bereitstellt. Die Arbeit wurde vom National Cancer Institute, der National Science Foundation, dem H.G. Barsumian, M.D. Memorial Fund und TUBITAK unterstützt.

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