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Forscher der Penn State legen den Grundstein für die präzise Herstellung von Tumormodellen

Forschern an der Penn State University ist es gelungen, Brustkrebstumoren in 3D-Biodruckverfahren herzustellen und sie in einer bahnbrechenden Studie zu behandeln, um die Krankheit, die weltweit eine der häufigsten Todesursachen ist, besser zu verstehen.

Diese wissenschaftliche Premiere legt den Grundstein für die präzise Herstellung von Tumormodellen. Der Fortschritt wird die zukünftige Erforschung und Entwicklung von Krebstherapien ohne den Einsatz von „in vivo“ ermöglichen; oder „im Tier“ –; Experimentieren.

Dies wird uns helfen zu verstehen, wie menschliche Immunzellen mit soliden Tumoren interagieren. Wir haben ein Tool entwickelt, das als klinische Testplattform zur Sicherheit und genauen Bewertung experimenteller Therapien dient. Es ist auch eine Forschungsplattform für Immunologen und Biologen, um zu verstehen, wie der Tumor wächst, wie er mit menschlichen Zellen interagiert und wie er Metastasen bildet und sich im Körper ausbreitet.“

Ibrahim Ozbolat, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, Biomedizintechnik und Neurochirurgie an der Penn State University und leitender Autor der Studie

Das Labor von Ozbolat ist auf den 3D-Druck spezialisiert, um eine Reihe von Geweben für die menschliche Gesundheit herzustellen. Kürzlich wurden in Advanced Functional Materials and Biofabrication zwei Zeitschriftenartikel über die Arbeit des Labors veröffentlicht, bei der 3D-Bioprinting zur Unterstützung der Brustkrebsforschung eingesetzt wird.

Die Forscher verwendeten eine relativ neue Technik namens aspirationsunterstütztes Bioprinting, um Tumore in drei Dimensionen präzise zu lokalisieren und das Gewebe zu erzeugen. Anschließend formten die Forscher das Gewebe zu einem mehrskaligen vaskularisierten Brusttumormodell mit Blutgefäßen, das, wie sie herausfanden, auf Chemotherapie und zellbasierte Immuntherapeutika ansprach.

Das Team validierte zunächst die Genauigkeit seines Tumormodells, indem es es mit Doxorubicin behandelte, einem Chemotherapeutikum auf Anthracyclinbasis, das häufig zur Behandlung von Brustkrebs eingesetzt wird. Als die Forscher feststellten, dass der biogedruckte Tumor auf die Chemotherapie ansprach, testeten sie in Zusammenarbeit mit Dr. Derya Unutmaz, einer Immunologin am Jackson Laboratory, eine zellbasierte immuntherapeutische Behandlung des Tumors.

Die Forscher verwendeten menschliche CAR-T-Zellen, die durch Genbearbeitung verändert wurden, um eine aggressive Form von Brustkrebszellen zu erkennen und zu bekämpfen. Nachdem die bearbeiteten CAR-T-Zellen 72 Stunden lang durch den Tumor zirkulierten, stellten die Forscher fest, dass die Zellen innerhalb des biogedruckten Tumors eine positive Immunantwort erzeugt hatten und die Krebszellen bekämpften.

„Unser Modell besteht aus menschlichen Zellen, aber was wir herstellen, ist eine sehr vereinfachte Version des menschlichen Körpers“, sagte Ozbolat. „In der nativen Mikroumgebung gibt es viele Details, die wir nicht replizieren oder auch nur in Betracht ziehen können. Wir streben nach Einfachheit innerhalb der Komplexität. Wir wollen ein grundlegendes Verständnis dafür haben, wie diese Systeme funktionieren – und das brauchen wir.“ Der Wachstumsprozess muss rationalisiert werden, da wir keine Zeit haben, darauf zu warten, dass Tumore in ihrem natürlichen Tempo wachsen.“

Ozbolat erklärte, dass es trotz bemerkenswerter Fortschritte in der Krebsbehandlung an präklinischen Plattformen für die Untersuchung experimenteller Krebsmedikamente mangele. Sich auf klinische Studien verlassen zu müssen, um die Wirksamkeit von Behandlungen zu testen, schränkt letztendlich die erfolgreiche klinische Umsetzung von Krebstherapeutika ein, sagte er. Die Entwicklung biogedruckter Modelle könnte die Tür zu völlig neuen Wegen zum Verständnis der Tumormikroumgebung und der Immunantwort des Körpers öffnen.

„Immuntherapie hat sich bereits als vielversprechende Behandlung für hämatologische Malignome erwiesen“, sagte Ozbolat. „Im Wesentlichen werden Immunzellen des Patienten entfernt und gentechnisch so verändert, dass sie für Krebszellen zytotoxisch sind, und dann wieder in den Blutkreislauf des Patienten eingeführt. Die Zirkulation ist entscheidend, weil sich die veränderten Zellen im Körper bewegen müssen. Bei Tumoren ist diese Art von effektiver Zirkulation.“ existiert nicht, also haben wir unser Modell entwickelt, um besser zu verstehen, wie Tumore auf eine Immuntherapie reagieren.“

Ozbolat und seine Kollegen arbeiten jetzt mit Tumoren, die echten Brustkrebspatientinnen entnommen wurden. Die Forscher werden Immuntherapeutika auf von Patienten stammende Tumore anwenden, um zu sehen, wie diese darauf reagieren.

„Dies ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Komplexität der Krankheit, der von wesentlicher Bedeutung ist, wenn wir neuartige Therapeutika und gezielte Therapien gegen Krebs entwickeln wollen“, sagte Ozbolat.

Die anderen Mitarbeiter an den Studien sind Madhuri Dey, Myoung Hwan Kim, Momoka Nagamine, Ece Karhan und Nazmiye Celik aus der Penn State sowie Mikail Dogan, Lina Kozhaya und Derya Unutmaz vom Jackson Laboratory for Genomic Medicine.

Die Immunzellen für die Forschung wurden kommerziell von einem vom IRB zugelassenen Privatunternehmen erworben, das Leukopaks gesunder Erwachsener in nicht identifizierter Form für Forschungszwecke bereitstellt. Die Arbeit wurde vom National Cancer Institute, der National Science Foundation, dem HG Barsumian, dem MD Memorial Fund und TUBITAK unterstützt.

Quelle:

Penn State

Referenz:

Dey, M., et al. (2022) Chemotherapeutika und CAR-T-Zell-basiertes Immuntherapeutika-Screening an einem 3D-Bioprint-Modell eines vaskularisierten Brusttumors. Fortschrittliche Funktionsmaterialien. doi.org/10.1002/adfm.202203966.

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Daniel Wom

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