Mikroskopisches Bild des 3D-gedruckten Glioblastommodells. (Universität Tel Aviv) Zum ersten Mal wurde eine der tödlichsten Formen von Hirntumoren erfolgreich per 3D-Biodruck hergestellt, was zum bisher vollständigsten im Labor gezüchteten Modell führte.
Wissenschaftler der Universität Tel Aviv haben ein Glioblastom in einer gehirnähnlichen Umgebung gedruckt, einschließlich Gefäßen, die die Masse mit Blut versorgen. Dies sei die bisher vollständigste Replikation eines Tumors und des umgebenden Gewebes – ein Durchbruch, der bei der Entwicklung von Behandlungen helfen könnte, sagten die Forscher.
Glioblastome mögen selten sein, aber sie sind besonders schrecklich. Sie wächst schnell und aggressiv im Gehirn oder Hirnstamm, ist nicht heilbar und verläuft fast immer tödlich.
Es ist auch schwer zu behandeln. Weil das Krebs ist so aggressiv, dass die Behandlung ziemlich hart sein muss und in der Regel Chemotherapie- und Strahlentherapiekurse erfordert, die die Patienten oft zu krank werden, um sie abzuschließen.
Glioblastomgewebe, das aus Tumoren von Patienten entnommen und kultiviert wird, ist eine Möglichkeit, über die Ärzte mehr über diesen teuflischen Krebs erfahren möchten. Dies geschieht normalerweise in Petrischalen und ist ein äußerst nützliches Werkzeug – es hat jedoch Einschränkungen, sagte der Krebsforscher und Nanowissenschaftler Ronit Satchi-Fainaro von der Universität Tel Aviv.
In einer früheren Studie hatten sie und ihr Team ein Protein namens P-Selectin gefunden, das produziert wird, wenn Krebszellen in Glioblastomen aufeinandertreffen Mikrogliazellen im Gehirn – die wichtigsten Immunzellen im Zentralnervensystem.
Dieses Protein veranlasst die Mikroglia dazu, das Glioblastom zu unterstützen, anstatt es zu bekämpfen – mit verheerenden Folgen für die Person.
„Wir haben das Protein jedoch in Tumoren identifiziert, die während der Operation entfernt wurden, nicht jedoch in Glioblastomzellen, die in unserem Labor auf 2D-Kunststoff-Petrischalen gezüchtet wurden.“ Sie erklärte .
„Der Grund dafür ist, dass sich Krebs, wie alle Gewebe, auf einer Kunststoffoberfläche ganz anders verhält als im menschlichen Körper.“ „Ungefähr 90 Prozent aller experimentellen Medikamente scheitern im klinischen Stadium, weil die im Labor erzielten Erfolge bei Patienten nicht reproduziert werden.“
Der Versuch des Teams, eine Lösung für diese Einschränkung zu finden, war eine Glioblastom-Biotinte, die aus Glioblastomzellen, Astrozyten und Mikroglia eines Patienten hergestellt wurde. Mithilfe einer entfernbaren Biotinte, die mit blutgefäßbildenden Zelltypen beschichtet war, gelang es ihnen außerdem, ihrem Modell eine funktionierende Blutversorgung zu verleihen.
Jedes Glioblastommodell wurde in einem Bioreaktor in einem Hydrogel 3D-gedruckt, das auf einer extrazellulären Matrix basiert, die ebenfalls dem Patienten entnommen wurde.
Das Glioblastommodell wurde dann über die Blutgefäße mit der extrazellulären Matrix verbunden und kommunizierte mit dieser, um die Art und Weise zu simulieren, wie die Tumore mit dem umgebenden Hirngewebe interagieren. Dies bietet eine Möglichkeit, das spezifische Verhalten des Krebses in seiner Umgebung – dem Gehirn – zu untersuchen.
„Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Gehirns unterscheiden sich von denen anderer Organe wie der Haut, der Brust oder der Knochen.“ Sagte Satchi-Fainaro .
„Brustgewebe besteht hauptsächlich aus Fett, Knochengewebe besteht hauptsächlich aus Kalzium; Jedes Gewebe hat seine eigenen Eigenschaften, die das Verhalten von Krebszellen und ihre Reaktion auf Medikamente beeinflussen. „Das Züchten aller Krebsarten auf identischen Kunststoffoberflächen ist keine optimale Simulation des klinischen Umfelds.“
Anschließend testete das Team seine Modelle mit P-Selectin. Ein P-Selectin-Inhibitor wurde in in Petrischalen gezüchtete Glioblastomkulturen sowie in die 3D-gedruckten Modelle und Tiermodelle eingeführt. In den Petrischalenkulturen wurde im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen keine Veränderung des Wachstums oder der Zellmigration beobachtet.
Bei den 3D-gedruckten und Tiermodellen führte der P-Selectin-Inhibitor zu einer langsameren Wachstumsrate im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen.
„Dieses Experiment hat uns gezeigt, warum potenziell wirksame Medikamente selten in die Klinik gelangen, nur weil sie Tests in 2D-Modellen nicht bestehen, und umgekehrt: Warum Medikamente, die im Labor als phänomenaler Erfolg angesehen wurden, letztendlich scheitern.“ klinische Versuche ,' Sagte Saitchi-Fainaro .
Auch die genetische Sequenzierung und die Wachstumsrate der 3D-gedruckten Tumore entsprachen besser den Beobachtungen des Teams bei lebenden Patienten. Auf 2D-Petrischalen verändern sich die Proben im Laufe der Zeit, sodass sie nicht mehr mit den Tumoren der Patienten übereinstimmen, die 3D-gedruckten Glioblastome blieben jedoch den Patientenproben ähnlich.
Darüber hinaus wachsen die 2D-Kulturen alle gleich schnell; wohingegen die 3D-gedruckten Tumore unterschiedliche Wachstumsraten zeigten, was bei Menschen und Tieren zu beobachten ist.
Dies deutet nicht nur auf eine Möglichkeit hin, das Verhalten von Glioblastomen genauer zu untersuchen, sondern könnte auch zu Möglichkeiten zur Entwicklung patientenspezifischer Interventionen führen.
„Wenn wir eine Probe aus dem Gewebe eines Patienten zusammen mit seiner extrazellulären Matrix entnehmen, können wir aus dieser Probe 100 winzige Tumore per 3D-Bioprint erstellen und viele verschiedene Medikamente in verschiedenen Kombinationen testen, um die optimale Behandlung für diesen spezifischen Tumor zu finden.“ Saitchi-Finaro erklärte .
„Aber der vielleicht spannendste Aspekt ist die Suche nach neuen, mit Medikamenten behandelbaren Zielproteinen und Genen in Krebszellen – eine sehr schwierige Aufgabe, wenn sich der Tumor im Gehirn eines menschlichen Patienten oder Modelltiers befindet.“
„Unsere Innovation verschafft uns einen beispiellosen und zeitlich unbegrenzten Zugang zu 3D-Tumoren, die das klinische Szenario besser nachahmen und so eine optimale Untersuchung ermöglichen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte .