Entwicklung eines biogedruckten vaskularisierten 3D In-vitro-Modells zur Untersuchung der Tumorprogression und Lebermetastasierung (MetaLivMod)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Fischer; Professor Dr. Fabian Kiessling
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544947545

Es besteht ein dringender Bedarf zur Entwicklung neuer Strategien, um das "3R-Prinzip" in der präklinischen pharmakologischen Forschung umzusetzen. Obwohl In-vitro-Modelle partiell als Ersatz von Tierversuchen genutzt werden, sind die derzeitigen 2D-In-vitro- und „Organ-on-a-chip“- Modelle in ihrer Vorhersagekraft begrenzt. Wesentliche Merkmale solider Malignome, wie ihre dreidimensionale Konfiguration, die Wechselwirkungen zwischen Stroma und Tumor und die Wirkstoffabgabe durch das Gefäßsystem, werden nicht berücksichtigt. Daher werden 3D-In-vitro-Modelle benötigt, um dynamische biologische Prozesse, wie Metastasierung, Angiogenese und Immunantwort nachzubilden. Unser Projekt baut auf früheren Studien auf, in denen wir ein 3D-Tumormodell in einer biogedruckten Umgebung mit sich selbst entwickelnden vaskulären Strukturen etabliert haben, welches den Beginn der Metastasierung in vitro nachahmt. Mit diesem Aufbau konnte das Wachstum vaskularisierter Tumore bis zu einer mesoskopischen Größenskala unterstützt werden. Innerhalb einer dreiwöchigen dynamischen Kultur konnte das Gefäßsystem funktionale Verbindungen mit dem gedruckten Endothel herstellen. Dies bot die Grundlage für die spontane Migration von Krebszellen in den Systemkreislauf. Zudem konnten mit diesem System patienten-abgeleitete triple-negative Brustkrebszellen (TNBC) zu artifiziellen Tumoren kultiviert werden, deren phänotypische Heterogenität und Metastasierungstendenz ihren menschlichen Gegenstücken entspricht. Unser Projekt zielt darauf ab, spontane hämatogene Metastasierung von TNBC in die Leber in vitro nachzubilden. Hierfür müssen das komplexe Zusammenspiel unterschiedlicher Zellen und die Hämodynamik der Wirtsum¬gebung berücksichtigt werden. Die Verbindung der Komponenten wird durch ein funktionales Gefäßreplikat realisiert, das mittels 3D-Biodruckverfahren in einem Bioreaktor hergestellt wird. Das primäre Modell besteht aus TNBC-Tumorsphäroiden, die in eine Stroma- und Endothelzell-beladene Hydrogelmischung eingebettet werden. Um die Bildung von Metastasen zu untersuchen, werden menschliche dermale mikrovaskuläre Endothelzellen in der Hydrogelmischung verwendet. Während der Kultivierung dieses Systems infiltrieren migrierende Krebszellen die angrenzende extrazelluläre Matrix, dringen in das Gefäß ein und extravasieren in dem Lebermodell. Als Folge der freigesetzten Chemokine, der hämodynamischen Ereignisse und der Interaktionen zwischen Krebszellen und Wirtszelltypen werden die beiden Systemkomponenten miteinander wechselwirken. Die Komplexität des Lebermodells wird schrittweise erhöht und Flussrate, Gefäßgröße und Druckdifferenz werden variiert und Immunzellen in die Zirkulation gegeben, um deren Einfluss auf die Metastasenbildung zu untersuchen. Wir erwarten, dass die Ergebnisse aus diesem Projekt das Verständnis der Mechanismen der hämatogenen Metastasierung verbessern und eine partielle Alternative für Tierversuche in der Erprobung neuer Krebsmedikamente eröffnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen