Biogedruckte Tumororganoide und eine Kombination aus fortschrittlicher Bildgebung könnten personalisierte Medizin ermöglichen

Bildnachweis: Foto vom National Cancer Institute auf Unsplash

Wissenschaftler des UCLA Jonsson Comprehensive Cancer Center haben eine neue Methode zum Bioprinten von Miniatur-Tumororganoiden entwickelt, die die Funktion und Architektur echter Tumoren nachahmen sollen. Das verbesserte Verfahren ermöglicht es Forschern, mithilfe einer fortschrittlichen Bildgebungsmethode einzelne Organoide detailliert zu untersuchen und zu analysieren, was dazu beitragen könnte, personalisierte Behandlungen für Personen mit seltenen oder schwer zu behandelnden Krebsarten zu finden.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Alice Soragni, PhD, einer Assistenzprofessorin in der Abteilung für orthopädische Chirurgie an der David Geffen School of Medicine der UCLA und Mitglied des UCLA Jonsson Comprehensive Cancer Center, berichtete in einem Artikel in Nature Communications über ihre Entwicklungen mit dem Titel „Wirkstoffscreening mit Einzelorganoidauflösung mittels Bioprinting und Interferometrie“.

Das Hochdurchsatz-Wirkstoffscreening sei ein etablierter Ansatz zur Untersuchung der Tumorbiologie und zur Identifizierung therapeutischer Ansätze, schreiben die Autoren. Herkömmliche Plattformen verwenden zweidimensionale Kulturen, diese spiegeln jedoch die Biologie menschlicher Tumoren nicht genau wider, stellten die Autoren fest. Im Gegensatz dazu „sind dreidimensionale (3D) Tumororganoide vielversprechende Modelle für die Präzisionsmedizin, die schnell und effektiv aus einer Vielzahl von Zelllinien und Gewebequellen hergestellt werden können und die Reaktion eines Patienten auf die Therapie genau nachahmen“, stellte das Team fest.

Diese miniaturisierten Tumoren, sogenannte Organoide, können in einem Labor mithilfe von Zelllinien oder patienteneigenen Zellen gezüchtet werden, um die menschliche Biologie und Krankheiten besser zu verstehen. Durch die Nachbildung von Tumoren von Patienten können Forscher verschiedene Medikamente testen, um zu sehen, ob der Tumor gut oder schlecht auf die Behandlung anspricht. Dies kann es Ärzten erleichtern, die beste Therapie für ihre Patienten auszuwählen.

„Tumororganoide sind zu grundlegenden Werkzeugen geworden, um die Tumorbiologie zu untersuchen und die Medikamentenempfindlichkeit einzelner Patienten hervorzuheben“, erklärte Soragni. „Wir benötigen jedoch noch bessere Methoden, um vorherzusagen, ob in einer kleinen Zellpopulation Resistenzen auftreten könnten, die wir mit herkömmlichen Screening-Ansätzen möglicherweise nicht erkennen können. Dies ist wirklich wichtig, insbesondere da organoidbasierte Arzneimittelvorhersagen zunehmend klinisch genutzt werden.“ ."

Während diese Minitumoren zur Verbesserung der Medikamentenmodellierung beigetragen haben und zu unschätzbaren Werkzeugen für die Prüfung der Wirksamkeit und Sicherheit potenzieller Medikamente geworden sind, ist es für aktuelle Modelle immer noch eine Herausforderung, die zugrunde liegende Tumorheterogenität zu erfassen, die häufig zu klinisch beobachteter Therapieresistenz führt. „… selbst diese klinisch relevanteren Modellsysteme wie dreidimensionale Tumororganoide können schwierig zu skalieren und zu screenen sein“, betonten die Autoren. Eine der Haupteinschränkungen dieses Ansatzes besteht darin, dass aktuelle Methoden nicht in der Lage sind, Veränderungen oder Unterschiede innerhalb der Organoidproben zu erfassen, die für die im klinischen Umfeld beobachtete Therapieresistenz verantwortlich sein könnten.

Um diese Herausforderungen zu meistern, entwickelte das Forscherteam eine Methode, die mithilfe einer Bioprinting-Technik Zellen in eine dünne Schicht extrazellulärer Stützproteine ​​druckt, um 3D-Minitumoren zu erzeugen, ohne die Gewebehistologie und Genexpression zu verändern. „Bioprinting, eine Technik zur präzisen, reproduzierbaren Ablagerung von Zellen in Biotinten auf festen Trägern, gewinnt in der Krebsbiologie schnell an Bedeutung“, stellten Soragni und Kollegen fest.

Das Team kombinierte seine biogedruckten Zellen mit der Hochgeschwindigkeits-Interferometrie lebender Zellen (HSLCI), einem Bildgebungssystem, das einen zerstörungsfreien Ansatz zur Beobachtung und Messung des Gewichts lebender Zellen in Echtzeit bietet. „HSLCI ermöglicht die nicht-invasive, markierungsfreie Verfolgung verschiedener Merkmale biogedruckter Organoide im Laufe der Zeit, einschließlich Größe, Beweglichkeit und Massendichte bei Auflösung einzelner Organoide“, erklärten die Forscher. Diese Methoden wurden dann mit maschinellen Lernalgorithmen kombiniert, um einzelne Organoide zu analysieren und zu messen.

„Mit dieser Methode sind wir in der Lage, die Massen von Tausenden von Organoiden gleichzeitig genau zu messen“, erklärte Michael Teitell, MD, PhD, Direktor des UCLA Jonsson Comprehensive Cancer Center und Co-Senior-Autor der Studie. „Diese Informationen helfen dabei, zu identifizieren, welche Organoide empfindlich oder resistent gegen bestimmte Therapien sind, und können so schnell die wirksamsten Behandlungsoptionen für Patienten auswählen.“

Mit der neuen Methodenkombination bestätigten die Forscher, dass sie die Wachstumsmuster der biogedruckten Tumorzellen über die Zeit messen konnten, um zu sehen, wie die Zellen auf verschiedene Medikamente oder Behandlungen reagierten. „Anhand von Zelllinien als Modell für das 3D-Tumorzellwachstum zeigen wir, dass biogedruckte Zellen, die in gleichmäßigen, flachen Schichten der extrazellulären Matrix abgelagert sind, eine markierungsfreie, zeitaufgelöste und zerstörungsfreie Quantifizierung von Wachstumsmustern und Arzneimittelreaktionen mit der Auflösung einzelner Organoide ermöglichen.“ „, stellten sie fest. Teitell bemerkte weiter: „Die Messungen wurden so durchgeführt, dass die Organoide weder beschädigt noch zerstört wurden, was eine nicht-invasive Analyse ihres Wachstums und ihrer Arzneimittelreaktionen ermöglichte.“

Die Forscher konnten bereits sechs Stunden nach der Zugabe der Therapien eine Wirkung bestimmter Medikamente auf Zellen feststellen. Das Team identifizierte auch kleine Gruppen von Zellen, die nicht auf die Medikamente reagierten, selbst in sehr homogenen Zelllinienproben, die größtenteils aus Zellen bestanden, die auf die Behandlung reagierten.

„Die wichtigsten Hindernisse für die breite Einführung der funktionellen Präzisionsmedizin waren die Erstellung physiologischer Kulturmodelle, die Entwicklung von Hochdurchsatzsystemen und die Schwierigkeit, die Heterogenität von Organoiden zu messen“, erklärten die Forscher. „Unsere Pipeline überwindet jedes dieser Hindernisse, indem sie ein robustes 3D-Organoid-Bioprinting-Protokoll und einen bildgebenden Ansatz integriert, der die Analyse des Ansprechens auf die Behandlung einzelner Organoide erleichtert.“ Die Forscher werden den neuen Ansatz nutzen, um neue therapeutische Wege und Resistenzmechanismen aufzudecken und schließlich personalisierte Behandlungsstrategien zu entwickeln. Soragni fügte hinzu: „Diese neue Pipeline hat die Qualität und Tiefe der Informationen verbessert, die wir aus dem Arzneimittelscreening von 3D-Krankheitsmodellen erhalten können. Wir wenden den gleichen Ansatz jetzt auf Organoide an, die aus schwer zu behandelnden, seltenen Krebsarten gewonnen wurden.“

Die Autoren kamen zu dem Schluss: „Die Kombination aus Durchsatz, Zeitauflösung und Anzahl der entnommenen Organoide gepaart mit unserem kurzen experimentellen Zeitrahmen von der Aussaat bis zu den Ergebnissen zur Arzneimittelsensitivität machen unsere HSLCI-basierte Methode wertvoll für das Screening von Tumor-Organoidmodellen für die Forschung und die Zukunft.“ , für mögliche klinische Anwendungen … Aufgrund der Fähigkeit, zeitaufgelöste, individuelle Massenveränderungen als Reaktion auf die Behandlung quantitativ zu messen, ist es möglich, ansprechende und resistente Subpopulationen von Zellen zu identifizieren und zu isolieren, was zu einer fundierteren klinischen Entscheidungsfindung bei der Auswahl führen kann Behandlungsansatz.“

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