Etablierung eines physiologischen humanen vaskularisierten Mikrotumormodells für die Krebsforschung
15. September 2023
Dieses Protokoll stellt ein physiologisch relevantes Tumor-on-a-Chip-Modell vor, um Hochdurchsatz-Grundlagen- und translationale Krebsforschung am Menschen durchzuführen und das Arzneimittel-Screening, die Krankheitsmodellierung und Ansätze der personalisierten Medizin mit einer Beschreibung von Lade-, Wartungs- und Bewertungsverfahren voranzutreiben.
Unsere Tumor-on-a-Chip-Plattform wurde entwickelt, um das Wachstum menschlicher vaskularisierter Mikrotumoren physiologisch zu modellieren, und ermöglicht es uns, sowohl grundlegende als auch translationale Forschungsfragen zu beantworten. Fragen, die sich auf grundlegende Tumorbiologie, Arzneimittelwirksamkeit, Tumoransprechen, zugrunde liegende immunologische Prozesse, potenzielle immuntherapeutische Interventionen und personalisierte Therapieansätze konzentrieren. Die effektive Umsetzung präklinischer Entdeckungen in wirksame Krebsbehandlungen hängt von der originalgetreuen Nachbildung des Krankheitszustands und der Modellsysteme ab.
Dieses Protokoll beschreibt die Etablierung des vaskularisierten Mikrotumors (VMT), um die Tumormikroumgebung in vitro nachzuahmen. Die VMT reproduziert schlüsselhafte Aspekte eines menschlichen Tumors originalgetreu und liefert klinisch relevante Erkenntnisse. Unser Modell ermöglicht es uns, physiologisch relevante, translationale Krebsforschung am Menschen durchzuführen.
Insbesondere beinhaltet unser Protokoll im Gegensatz zu anderen Modellen dynamische Flussbedingungen, ermöglicht die Integration von Immunzellen und Immuntherapie und ermöglicht uns darüber hinaus die Einbeziehung von Ansätzen der personalisierten Medizin. Wir nutzen das VMT-Modell, um Initiativen der personalisierten Medizin sowohl im präklinischen als auch im klinischen Bereich voranzutreiben. Dieses Modell vertieft unser Verständnis von Mikroumgebungsfaktoren in Zell-Zell-Interaktionen, die die therapeutische Resistenz und das Fortschreiten von Krebs beeinflussen.
Darüber hinaus ist das VMT vielversprechend bei der Entdeckung maßgeschneiderter patientenspezifischer Behandlungen für eine verbesserte klinische Versorgung.
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Übersicht
Dieser Artikel stellt ein detailliertes Protokoll zur Einrichtung einer vaskularisierten Mikrotumor- (VMT) oder Tumor-auf-einem-Chip-Plattform vor, die das humane Tumormikroumfeld in vitro eng nachahmt. Das VMT-System integriert mehrere humane Zelltypen unter dynamischen Strömungsbedingungen in einem mikrofluidischen Gerät und ermöglicht die Untersuchung der Tumorbiologie, der Wirkstoffwirksamkeit, immunologischer Wechselwirkungen sowie personalisierter medizinischer Ansätze in einem physiologisch relevanten Kontext.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Krebsbiologie
- Modellierung der Tumormikroumgebung
- Gewebetechnik
- Mikrofluidik
Hintergrund
- Herkömmliche in-vitro-Krebsmodelle können die Komplexität der Tumormikroumgebung häufig nicht replizieren.
- Für eine effektive präklinische Forschung und therapeutische Entwicklung sind Modelle erforderlich, die eine Gefäßbildung und physiologische Barrieren berücksichtigen.
- Die VMT-Plattform behebt diese Einschränkungen, indem sie neuartige vaskuläre Netzwerke bildet und das Tumorwachstum unter Durchflussbedingungen unterstützt.
- Die Integration von Immunzellen sowie hochauflösende Bildgebungsmöglichkeiten ermöglichen fortgeschrittene Untersuchungen der Tumor-Immun-Interaktionen und der Metastasierung.
Zweck der Studie
- Entwicklung und Validierung eines mikrophysiologischen Systems, das die menschliche Tumormikroumgebung in vitro nachbildet.
- Ermöglichung translationsorientierter Forschung zur Tumorbiologie, Arzneimittelwirkung und Immuntherapie.
- Unterstützung der personalisierten Medizin durch Anpassung der Plattform an zelluläre Proben von Patienten und individuelle Therapieansätze.
Verwendete Methoden
- Herstellung von Zellsuspensionen und Komponenten der extrazellulären Matrix (Fibrinogen, Thrombin, Laminin).
- Befüllen der Zell-Matrix-Gemische in UV-sterilisierte mikrofluidische Platten und Gel-Polymerisation.
- Einrichtung eines dynamischen Flusses und Perfusionsmediums durch die Mikrokanäle.
- Mikroskopische Bildgebung zur Überwachung der vaskulären Netzwerkbildung, Zellverteilung und funktioneller Assays (z. B. FITC-Dextran-Perfusion).
- Perfusion von Krebszellen und Immunzellen (z. B. T-Zellen), um Extravasierung und Zell-Zell-Interaktionen zu untersuchen.
Hauptergebnisse
- Endothelzellen bildeten innerhalb von vier Tagen kontinuierliche, perfundierte vaskuläre Netzwerke aus, bestätigt durch minimale FITC-Dextran-Leckage.
- Krebszellen, die in das System perfundiert wurden, hefteten sich an das Endothel an und extravasierten, wodurch innerhalb von 24 Stunden Mikrometastasen entstanden.
- Zeitrafferaufnahmen zeigten eine schnelle Adhäsion und Extravasation von T-Zellen in die Tumormikroumgebung.
- Das VMT-Modell behielt eine Tumorheterogenität, Genexpressionsprofile und Arzneimittelwirkprofile bei, die in vivo-Tumoren ähneln.
Schlussfolgerungen
- Die VMT-Plattform bietet ein robustes, physiologisch relevantes Modell zur Untersuchung der Biologie menschlicher Tumore und deren therapeutischer Ansprechen.
- Es ermöglicht die Untersuchung der Dynamik von Immunzellen, von Barrieren bei der Arzneimittelabgabe sowie personalisierter Behandlungsstrategien.
- Dieser Ansatz fördert sowohl die grundlegende als auch die translationale Krebsforschung, indem er die Lücke zwischen traditionellen In-vitro-Modellen und der klinischen Realität schließt.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Physiologisch relevante Tumormodelle stellen nach wie vor eine kritische Engstelle für die prädiktive onkologische Wirkstoffforschung und translationsmedizinische Studien dar. Die vaskularisierte Mikrotumor-(VMT-)Plattform ermöglicht eine hochgradig präzise Nachbildung der menschlichen Tumormikroumgebung und unterstützt dadurch eine robuste Beurteilung von Wirkstoffverabreichung, Immunzellinfiltration und therapeutischer Wirkung. Dieses System erhöht die Vorhersagesicherheit im entscheidenden präklinischen Stadium und wirkt sich damit direkt auf die Portfolioauswahl sowie auf Initiativen der personalisierten Medizin aus.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Untersuchung der Tumorbiologie und der mikroumgebungsbedingten Mechanismen, die die therapeutische Resistenz beeinflussen.
- Ermöglicht die funktionelle Validierung von Zielstrukturen in einem für den Menschen relevanten, vaskularisierten Kontext.
- Erleichtert die mechanistische Ent风险bewertung durch Modellierung von Interaktionen zwischen Immunsystem und Tumor sowie stromalen Wechselwirkungen.
- Verbessert die Vorhersagesicherheit bei der Weiterentwicklung von Kandidatenzielen in Screening-Pipelines.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet eine standardisierte, reproduzierbare Plattform für quantitative Wirkstoffwirksamkeits- und Immunzell-Extravasationsanalysen.
- Ermöglicht hochauflösende Bildgebung und direkte Visualisierung des Verhaltens von Verbindungen und Zellen in einer perfundierten Mikroumgebung.
- Unterstützt die Skalierbarkeit von Analysen und die Wiederverwendung der Plattform über verschiedene Tumortypen und patientenabgeleitete Proben hinweg.
- Liefert physiologisch relevante Endpunkte für die Priorisierung von Verbindungen und mechanistische Untersuchungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Entspricht der krankheitsrelevanten Heterogenität menschlicher Tumore und Genexpressions-Signaturen.
- Ermöglicht Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung unter Verwendung primärer Patientenzellen.
- Unterstützt die translationale Biomarker-Entdeckung und die Bewertung personalisierter therapeutischer Strategien.
- Verringert das translationale Risiko durch Modellierung in-vivo-ähnlicher Arzneimittelfreisetzungsbarrieren und immunologischer Reaktionen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die VMT-Plattform verbindet die frühe Entdeckung, die Identifizierung von Wirkstoffkandidaten und die translationale Forschung, indem sie ein physiologisch relevantes, skalierbares System für die Hypothesenprüfung und die Arzneimittelbewertung bereitstellt.
- Entdeckungsbiologie: Modelliert Tumor-Immun- und Stromainteraktionen, um Wegabhängigkeiten und Resistenzmechanismen aufzuklären.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative Ergebnisse für Wirkstoff- und Immunzellenassays unter dynamischen Strömungsbedingungen.
- Analytik: Ermöglicht bildbasierte Hochdurchsatzanalysen und quantitative Messung von Extravasation, Metastasierung und therapeutischer Reaktion.
- Translationale Forschung: Unterstützt die Biomarker-Korrelierung und personalisierte Medizin durch die Verwendung primärer, patientenabstammender Zellen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Anwendbar über verschiedene Tumorarten und Forschungsprogramme hinweg, fördert die Plattform-Standardisierung und Vergleichbarkeit zwischen Projekten.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Unschärfen in der Onkologie-Forschung.
- Operativer Wert: Standardisiert komplexe Tumormodellierung und ermöglicht reproduzierbare, skalierbare Arbeitsabläufe.
- Strategischer Wert: Verbessert die Qualität von Go/No-Go-Entscheidungen und die Kapitaleffizienz, indem frühe Kandidaten entrisikot werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von Assets mit nachgewiesenem translationalen Potenzial.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in Mikrofluidik, Gewebeengineering und fortschrittlicher Bildgebung.
- Benötigt Zugang zu spezialisierten Geräten für die Handhabung mikrofluidischer Vorrichtungen und die Live-Cell-Bildgebung.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Teams hinsichtlich der Zellbeschaffung, der Kulturbedingungen für Ko-Kulturen und der analytischen Protokolle.
- Kann bei Optimierung des Protokolls auf verschiedene Tumortypen und primäre Patientenproben angewendet werden.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehören begrenzte Durchsatzkapazitäten und die Notwendigkeit einer sorgfältigen Validierung neuer Zellquellen.
Biopharma-Häufige Fragen
Chapters in this video
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Introduction
1:41
Preparing a Vascularized Micro‐Tumor System Using Human Cells for Studying Tumors and Drug Responses
3:34
Introducing Human Cells intoa Microfluidic Device to Investigate Tumor Progression in a Vascularized Micro‐Tumor System
