Einem internationalen Team interdisziplinärer Forscher ist es gelungen, eine Methode zur besseren 3D-Modellierung komplexer Krebserkrankungen zu entwickeln. Das an der University of Waterloo ansässige Team kombinierte modernste Bioprinting-Techniken mit synthetischen Strukturen oder mikrofluidischen Chips. Die Methode wird Laborforschern helfen, heterogene Tumore genauer zu verstehen: Tumore mit mehr als einer Art von Krebszellen, die oft in unvorhersehbaren Mustern verteilt sind.
Der Forschung„Kontrollierte Tumorheterogenität in einem Co-Kultursystem durch ein 3D-biogedrucktes Tumor-on-Chip-Modell“, erscheint in Wissenschaftliche Berichte.
Traditionell biopsierten Ärzte den Tumor eines Patienten, entnahmen Zellen und züchteten sie dann in flachen Petrischalen im Labor. „50 Jahre lang haben Biologen Tumore so verstanden“, sagte Nafiseh Moghimi, ein Postdoktorand für angewandte Mathematik und Hauptautor der Studie. „Doch vor einem Jahrzehnt wurde den Wissenschaftlern aufgrund wiederholter Behandlungsfehler in Versuchen am Menschen klar, dass ein 2D-Modell die tatsächliche Tumorstruktur im Körper nicht erfasst.“
Die Forschung des Teams geht dieses Problem an, indem es ein 3D-Modell erstellt, das nicht nur die Komplexität eines Tumors widerspiegelt, sondern auch seine Umgebung simuliert.
Die Forschung, die im Mathematical Medicine Lab unter der Leitung des Professors für angewandte Mathematik Mohammad Kohandel stattfand, vereinte Fortschritte aus mehreren Disziplinen. „Wir schaffen etwas, das in Kanada sehr, sehr neu ist. Vielleicht betreiben nur ein paar Labore etwas, das auch nur annähernd dieser Forschung ähnelt“, sagte Moghimi.
Zunächst entwickelte das Team „Mikrofluidik-Chips“ aus Polymer: winzige Strukturen, in die Kanäle geätzt wurden, die den Blutfluss und andere Flüssigkeiten rund um den Tumor eines Patienten nachahmen.
Als nächstes züchtete das Team mehrere Arten von Krebszellen und suspendierte diese Zellkulturen in ihrem eigenen maßgeschneiderten Bioink: einem Cocktail aus Gelatine, Alginat und anderen Nährstoffen, der die Zellkulturen am Leben erhalten soll.
Schließlich verwendeten sie einen Extrusions-Biodrucker – ein Gerät, das einem 3D-Drucker ähnelt, jedoch für organisches Material –, um die verschiedenen Arten von Krebszellen auf die vorbereiteten Mikrofluidik-Chips zu schichten.
Das Ergebnis ist ein lebendes, dreidimensionales Modell komplexer Krebsarten, mit dem Wissenschaftler dann verschiedene Behandlungsmethoden testen können, beispielsweise verschiedene Chemotherapeutika.
Moghimi und ihr Team sind besonders daran interessiert, komplexe Brustkrebsmodelle zu erstellen. Nach Hautkrebs ist Brustkrebs die am häufigsten diagnostizierte Krebsart bei Frauen.
Brustkrebs ist besonders schwierig zu behandeln, da er bei der Metastasierung als komplexer Tumor mit mehreren Zelltypen erscheint. Sich darauf zu verlassen, dass die Zellen aus einer oder zwei Biopsien einen gesamten Tumor genau darstellen, kann zu ineffektiven Behandlungsplänen und schlechten Ergebnissen führen.
Die 3D-gedruckten Tumormodelle veranschaulichen, wie neue Technologien schnellere, kostengünstigere und weniger schmerzhafte Behandlungen für schwerwiegende Erkrankungen wie Brustkrebs im Spätstadium ermöglichen.
Mehr Informationen:
Nafiseh Moghimi et al., Kontrollierte Tumorheterogenität in einem Co-Kultursystem durch ein 3D-biogedrucktes Tumor-on-Chip-Modell, Wissenschaftliche Berichte (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-40680-x