3D-gedrucktes Gerät testet schnell Medikamente an Tumorgewebe

MIT- und Draper-Forscher haben mit 3D ein neuartiges mikrofluidisches Gerät gedruckt, das die Krebsbehandlungen von biopsiertem Tumorgewebe simuliert, sodass Kliniker besser untersuchen können, wie einzelne Patienten auf unterschiedliche Therapeutika ansprechen – bevor sie eine einzelne Dosis verabreichen.

Das Testen von Krebsbehandlungen hängt heute hauptsächlich von “trial and error” ab. Patienten können mehrere zeitraubende und schwer zu erträgliche Therapien zur Verfolgung einer funktionierenden Therapie durchmachen. Zu den jüngsten Neuerungen in der pharmazeutischen Entwicklung gehört die Züchtung künstlicher Tumore, um Medikamente an bestimmten Krebsarten zu testen. Diese Modelle brauchen jedoch mehrere Wochen, um zu wachsen und berücksichtigen nicht die biologische Zusammensetzung eines einzelnen Patienten, was die Wirksamkeit der Behandlung beeinträchtigen kann.

Das Gerät der Forscher, das in etwa einer Stunde gedruckt werden kann, ist ein Chip, der etwas größer als ein Vierteldollar Münze ist, wobei drei zylindrische “Schornsteine” von der Oberfläche aufstehen. Hierbei handelt es sich um Anschlüsse, die zum Einleiten und Ablassen von Flüssigkeiten sowie zum Entfernen unerwünschter Luftblasen dienen. Biopsierte Tumorfragmente werden in einer Kammer angeordnet, die mit einem Netzwerk von Kanälen verbunden ist, die Flüssigkeiten – beispielsweise mit Immuntherapeutika oder Immunzellen – an das Gewebe abgeben. Kliniker können dann verschiedene bildgebende Verfahren verwenden, um zu sehen, wie das Gewebe auf die Medikamente reagiert.

Ein Schlüsselmerkmal war die Verwendung eines neuen biokompatiblen Harzes, das traditionell für Dentalanwendungen verwendet wird und das langfristige Überleben von biopsiertem Gewebe unterstützen kann. Obwohl frühere 3-D-gedruckte Mikrofluidiklösungen für Drogentests vielversprechend waren, töten Chemikalien in ihrem Harz normalerweise Zellen schnell. Die Forscher nahmen Fluoreszenzmikroskopiebilder auf, die ihr Gerät, eine so genannte Tumoranalyseplattform (TAP), zeigen, die mehr als 90 Prozent des Tumorgewebes mindestens 72 Stunden am Leben hielt und möglicherweise viel länger.

Da das 3D-gedruckte Gerät einfach und kostengünstig herzustellen ist, könnte es schnell in klinische Umgebungen integriert werden, so die Forscher. Ärzte könnten zum Beispiel ein Multiplex-Gerät ausdrucken, das mehrere Tumorproben parallel aufnehmen kann, um die Wechselwirkungen zwischen Tumorfragmenten und vielen verschiedenen Medikamenten gleichzeitig für einen einzelnen Patienten zu modellieren.

„Menschen überall auf der Welt können unser Design drucken. Sie können sich eine Zukunft vorstellen, in der Ihr Arzt einen 3-D-Drucker haben wird und die Geräte nach Bedarf ausdrucken kann“, sagt Luis Fernando Velásquez-García, Forscher in den Microsystems Technology Laboratories und Co-Autor auf einem Paper, in dem das Gerät beschrieben wird. die in der Dezember-Ausgabe des Journal of Microelectromechanical Systems erscheint. „Wenn jemand Krebs hat, können Sie ein wenig Gewebe in unser Gerät nehmen und den Tumor am Leben erhalten, um mehrere Tests parallel durchzuführen und herauszufinden, was am besten mit der biologischen Ausstattung des Patienten zusammenpasst. Und dann diese Behandlung beim Patienten umsetzen.“

Eine vielversprechende Anwendung ist das Testen der Immuntherapie, einer neuen Behandlungsmethode, die das Immunsystem eines Patienten mit Hilfe bestimmter Medikamente zur Krebsbekämpfung unterstützt. (Der diesjährige Nobelpreis für Physiologie oder Medizin wurde an zwei Immuntherapeutiker verliehen, die Arzneimittel entwickelten, die verhindern, dass das Immunsystem durch das Immunsystem Krebszellen angreift.) Das Gerät der Forscher könnte Ärzten dabei helfen, Behandlungen zu identifizieren, für die eine Person wahrscheinlich ist antworten.

„Immuntherapiebehandlungen wurden speziell für die Markierung molekularer Marker auf der Oberfläche von Krebszellen entwickelt. Dies hilft sicherzustellen, dass die Behandlung einen direkten Angriff auf den Krebs auslöst, während negative Auswirkungen auf gesundes Gewebe begrenzt werden. Der Krebs jedes Individuums drückt jedoch ein einzigartiges Array von Oberflächenmolekülen aus. Daher kann es schwierig sein, vorherzusagen, wer auf welche Behandlung anspricht. Unser Gerät verwendet das eigentliche Gewebe der Person und ist somit perfekt für die Immuntherapie geeignet “, sagt die Erstautorin Ashley Beckwith SM ’18, Diplom-Forscherin in der Forschungsgruppe von Velásquez-García.

Co-Autor der Zeitung ist Jeffrey T. Borenstein, Forscher bei Draper, wo er sein Programm in der Immunonkologie leitet. “Eine Schlüsselherausforderung in der Krebsforschung war die Entwicklung von Tumor-Mikroumgebungen, die Mechanismen des Fortschreitens von Krebs und die tumorhemmenden Wirkungen neuartiger Therapeutika simulieren”, sagt Borenstein. “Durch diese Zusammenarbeit mit Luis und MTL können wir von ihrer großen Expertise in den Technologien der additiven Fertigung und den Materialwissenschaften für extrem schnelle Designzyklen beim Aufbau und Testen dieser Systeme profitieren.”

Zellen unterstützen

Mikrofluidikvorrichtungen werden traditionell durch Mikroformen hergestellt, wobei ein gummiartiges Material namens Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet wird. Diese Technik war jedoch nicht dazu geeignet, ein dreidimensionales Netzwerk von Merkmalen zu schaffen – etwa sorgfältig dimensionierte Flüssigkeitskanäle -, die Krebsbehandlungen an lebenden Zellen nachahmen. Stattdessen wandten sich die Forscher dem 3D-Druck zu, um ein „monolithisches“ Gerät herzustellen, das heißt, ein Objekt auf einmal zu drucken, ohne dass separate Teile montiert werden müssen.

Das Herzstück des Geräts ist sein Harz. Nach mehrmonatigem Experimentieren mit zahlreichen Harzen landeten die Forscher schließlich auf Pro3dure GR-10, das vor allem zur Herstellung von Zahnschützern zum Schutz vor Zähneknirschen verwendet wird. Das Material ist nahezu transparent wie Glas, hat kaum Oberflächendefekte und kann in sehr hoher Auflösung gedruckt werden. Wie die Forscher festgestellt haben, wirkt sich dies nicht negativ auf das Überleben der Zellen aus.

Das Team unterzog das Harz einem 96-stündigen Zytotoxizitätstest, einem Test, bei dem die Zellen dem gedruckten Material ausgesetzt werden und gemessen wird, wie giftig dieses Material für die Zellen ist. Nach den 96 Stunden traten die Zellen im Material immer noch auf. „Wenn Sie einige dieser anderen Harzmaterialien drucken, stoßen sie Chemikalien aus, die sich in den Zellen befinden und sie töten. Aber das tut dieses nicht “, sagt Velasquez-Garcia. „Meines Wissens nach gibt es kein anderes druckfähiges Material, das diesem Grad an Trägheit nahe kommt. Es ist, als ob das Material nicht da wäre.”

Fallen setzen

Zwei weitere wichtige Neuerungen des Geräts sind die “Blasenfalle” und eine “Tumorfalle”. Durch das Fließen von Flüssigkeiten in ein solches Gerät werden Blasen erzeugt, die das Experiment unterbrechen oder platzen und Luft freisetzen können, die Tumorgewebe zerstört.

Um dieses Problem zu beheben, haben die Forscher eine Blasenfalle geschaffen, einen robusten „Schornstein“, der aus dem Flüssigkeitskanal in einen Gewindeanschluss steigt, durch den Luft entweicht. Flüssigkeit – einschließlich verschiedener Medien, fluoreszierender Marker oder Lymphozyten – wird in eine Einlassöffnung neben der Falle injiziert. Das Fluid tritt durch die Einlassöffnung ein und strömt an der Falle vorbei, wo Blasen im Fluid durch den Gewindeanschluss aufsteigen und aus der Vorrichtung austreten. Die Flüssigkeit wird dann um eine kleine Wende herum in die Tumorkammer geleitet, wo sie durch das Tumorfragment und um dieses herum fließt.

Diese Tumor-Einfangkammer befindet sich am Schnittpunkt des größeren Einlasskanals und der vier kleineren Auslasskanäle. Tumorfragmente mit einem Durchmesser von weniger als 1 Millimeter werden über die Blasenfalle in den Einlasskanal injiziert, wodurch die beim Laden eingebrachten Blasen entfernt werden. Wenn Flüssigkeit von der Einlassöffnung durch die Vorrichtung fließt, wird der Tumor stromabwärts zur Tumorfalle geleitet, wo das Fragment hängen bleibt. Die Flüssigkeit wandert weiter entlang der Auslasskanäle, die zu klein sind, um in den Tumor zu passen, und läuft aus dem Gerät ab. Ein kontinuierlicher Fluss von Flüssigkeiten hält das Tumorfragment in Position und erneuert die Zellen ständig mit Nährstoffen.

„Da unser Gerät in 3D-Druck ausgeführt wird, konnten wir die gewünschten Geometrien in den gewünschten Materialien herstellen, um die gewünschte Leistung zu erzielen, anstatt einen Kompromiss zwischen dem Konstruierten und dem was umgesetzt werden könnte – was normalerweise der Fall ist unter Verwendung der Standard-Mikrofabrikation”, sagt Velásquez-García. Er fügt hinzu, dass der 3D-Druck schon bald zum Mainstream-Herstellungsverfahren für Mikrofluidik und andere Mikrosysteme werden kann, die komplexe Konstruktionen erfordern.

In diesem Experiment zeigten die Forscher, dass sie ein Tumorfragment am Leben erhalten und die Lebensfähigkeit des Gewebes in Echtzeit mit fluoreszierenden Markern überwachen können, die das Gewebe zum Leuchten bringen. Als nächstes wollen die Forscher testen, wie die Tumorfragmente auf echte Therapeutika reagieren.

“Das traditionelle PDMS kann nicht die Strukturen schaffen, die Sie für diese In-vitro-Umgebung benötigen, um Tumorfragmente über einen längeren Zeitraum am Leben zu erhalten”, sagt Roger Howe, Professor für Elektrotechnik an der Stanford University, der nicht an der University of Warford beteiligt war Forschung. “Dass Sie jetzt sehr komplexe Fluidkammern herstellen können, die realistischere Umgebungen ermöglichen, um verschiedene Medikamente an Tumoren schnell und möglicherweise in klinischen Umgebungen zu testen, ist ein großer Beitrag.”

Howe lobte die Forscher auch dafür, dass sie die richtige Arbeit geleistet hatten, um das richtige Harz und das Design zu finden, auf das andere bauen konnten. “Sie sollten dafür honoriert werden, dass sie diese Informationen veröffentlicht haben, weil [vorher] nicht bekannt war, ob Sie über Material oder Drucktechnologie verfügten, um dies zu ermöglichen”, sagt er. Jetzt “ist es eine demokratisierte Technologie.”