Diese Sammlung stellt über die traditionellen Methoden der Krebsforschung hinaus experimentelle Methoden zur Untersuchung der Tumormikroumgebung vor, die ein wesentliches Element für das Tumorwachstum und die Metastasierung darstellt. Solche Systeme sind dreidimensional, beinhalten eine tiefgehende und hochauflösende Bildgebung (oft über einen längeren Zeitraum, was komplexe bildgebende Analysewerkzeuge erfordert) und verwenden vom Patienten stammendes Gewebe und/oder verwenden synthetische oder dezellularisierte Gerüste.
Bei Erkrankungen mit ungedecktem klinischem Bedarf, wie z. B. Bauchspeicheldrüsen-, Darm- und Hirntumoren, bei denen die Übertragbarkeit von syngenen Maus- oder Xenotransplantatmodellen gering ist, ist der Auf- und Ausbau von Biobanken unerlässlich. Bürtin et al.1 geben einen Leitfaden, wie sie dies erreichen, einschließlich der Erweiterung von Spendermaterial zu patientenabgeleiteten Xenotransplantaten (PDXs), und etablieren so eine lebende Biobank, die die Histologie und den Krankheitsverlauf der Patienten genau rekapituliert. Durch ständige Protokolloptimierung und enge Zusammenarbeit und Kommunikation mit dem OP-Personal berichten die Autoren von Outgrowth-Raten von 63% bei kolorektalen PDXs und 48% bei pankreatischen PDXs. Dieser Fortschritt ist allein aufgrund der langen Zeitspanne, die für die Etablierung des Modells erforderlich ist, nicht als Testbehandlungsproxy für einzelne Patienten geeignet, die unmittelbar Behandlungsoptionen benötigen. Nichtsdestotrotz ist es nützlich, um die Tumorbiologie besser zu verstehen und zukünftigen Patienten mit ähnlichen Tumormerkmalen zu helfen. Darüber hinaus beschreiben Tew et al.2 die Etablierung und Verwendung von metastasierten PDXs des Zentralnervensystems (ZNS) und betonen die Bedeutung des Weges der Gewebeinokulation für ein erfolgreiches Wachstum und Studienzwecke.
Als Alternative zu PDX-Modellen bieten Ex-vivo-Kulturen aus patienteneigenen Tumorscheiben ein potenziell schnelleres und wirtschaftlicheres System mit einer nativen Matrix und Architektur – sowohl multizellulär als auch heterotypisch –, die zum Testen des Ansprechens auf Medikamente verwendet werden können. Braun et al.3 stellen ihre organotypischen Schnittkulturen (OTSCs) für Pankreas-Primärtumoren und Metastasen vor. Sie vermitteln ein Verfahren zur Etablierung und Überwachung von Xenotransplantaten, einschließlich: Herstellung eines Geräts zur Unterstützung der Live-Bildgebung des ex vivo-Schnitts ; Entnahme von Tumorscheiben; Scheibenkultur und Ex-vivo-Wachstum ; sowie Bildgebung und Bildanalyse. In einem anderen Beispiel stellen Ciraku et al.4 eine umfassende Methode zur Untersuchung von Hirnmetastasen und deren Behandlung durch die Verwendung von ex vivo hirnmetastasierten Tumorschnitten zur Verfügung.
Das tumorbenachbarte Gewebe und die extrazelluläre Matrix sind ebenfalls der Schlüssel zum vollständigen Verständnis der Metastasierung. Jelinek et al.5 stellen ein PDX zur Verfügung, um den Einfluss krebsassoziierter Fibroblasten auf das Tumorwachstum zu untersuchen, wobei von Patienten stammende dermale Fibroblasten zur Co-Injektion mit humanen Melanomzelllinien verwendet werden. Mayorca-Guiliani et al.6 beschreiben eine Methode zur Dezellularisierung von Herz und Lunge von Mäusen und zur Erzeugung eines intakten Gerüsts, das zur Aussaat von Zellen und, was noch wichtiger ist, zum Verständnis der Lage/Topologie und der Zusammensetzung der extrazellulären Matrix (ECM) dieser Organe verwendet werden kann. Die Lunge ist insbesondere bei verschiedenen Tumorarten ein sehr häufiger Ort der Metastasierung. Diese Methode kann auch verwendet werden, um andere ECM-Gerüste zu generieren. Kollagen ist eine der Hauptkomponenten der EZM, und topologische Veränderungen des fibrillären Kollagens wurden mit dem Fortschreiten der Krankheit in Verbindung gebracht. Liu et al.7 stellen ein Open-Source-Bildanalysewerkzeug zur Verfügung, um die fibrilläre Kollagenorganisation aus hochdimensionalen, hochauflösenden konfokalen Tomographiebildern zu quantifizieren. Ein Teil der Relevanz des ECM liegt in seiner Anpassungsfähigkeit an externe Faktoren, wie z. B. Druck. Die EZM nimmt als Reaktion auf diese externen Faktoren, die das Tumorwachstum beeinflussen können, unterschiedliche biophysikalische Eigenschaften an. Unter Verwendung von Kollagen- und Fibrinogen-Gelen stellen Calitz et al.8 ein biomimetisches Modell für Leberkrebs vor, das seine EZM-Abstimmbarkeit in einer 3D-Umgebung nachahmt. Die Autoren schaffen experimentelle Bedingungen, die die biophysikalischen Eigenschaften der fibrotischen und zirrhotischen Leber sowie des hepatozellulären Karzinoms (HCC) rekapitulieren, um Tumor-Stroma-Wechselwirkungen im HCC zu untersuchen. Die erstellten biomimetischen Modelle (die einen breiten Steifigkeitsbereich abdecken) zeigen im Vergleich zu 2D-Kulturen ein repräsentativeres Ansprechen auf die Behandlung.
Andere heterotypische Ansätze zur Nachahmung von Metastasen umfassen Organoidkulturen, Organ-on-Chips und/oder mikrofluidische Co-Kultursysteme, die sich zu komplexen Systemen entwickeln, um die Co-Kultur von Immun- und Krebszellen mit sehr unterschiedlichen Kulturbedingungen zu ermöglichen. Chakrabarti et al.9 stellen ein organoides System vor, das T- und myeloische Zellen sowie humane autologe Magenkrebszellen in einer Organoid-Immunzell-Co-Kultur umfasst, die als präklinisches Modell zur Vorhersage einer gezielten Therapiewirksamkeit dient. De Ninno et al.10 beschreiben ein ähnliches Konzept unter Verwendung von mikrofluidischen Co-Kultursystemen, die mit dynamischen und multiparametrischen Messungen kompatibel sind. Die Herstellung, Aussaat, Bildgebung und Analyse von Krebszellen und der Gewebemikroumgebung (TME) einer neuartigen mikrofluidischen 3D-Blut-Hirn-Nische (μmBBN) wird von Oliver et al.11 beschrieben. Die Autoren zeigen den Einsatz von künstlicher Intelligenz, um die phänotypischen Unterschiede von Krebszellen zu identifizieren, die in der Lage sind, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, und diesen Zellen ein objektives Hirnmetastasierungspotenzial zuzuweisen. Dies kann verwendet werden, um grundlegende und translationale Fragen zur Metastasierung, zur therapeutischen Wirksamkeit und zur Rolle der TME in beiden zu beantworten.
Gemeinsam bieten die Autoren, die zu dieser Sammlung beitragen, dem Bereich TME und Metastasierung eine Reihe innovativer, gebrauchsfertiger Methoden, um Schlüsselfragen zu beantworten, die monotypische 2D-In-vitro-Kulturen nicht beantworten können. Letztendlich wird die breite Implementierung dieser Methoden unser Verständnis von Tumorökosystemen verbessern und somit dazu beitragen, TME-zielgerichtete Therapien gegen metastasierende Erkrankungen zu entwickeln, eine Erkrankung, die nach wie vor eine Herausforderung zu behandeln ist und einen hohen Einfluss auf das Überleben und die Lebensqualität der Patienten hat.