Verwendung eines 3D-Kulturmodells für zirkulierende Tumorzellen in Kombination mit molekularen Bioassays bei Patienten mit HNSCC-Krebs

Bemerkenswert ist, dass Krebs mit 7,6 Millionen Todesfällen (rund 13 % aller Todesfälle) im Jahr 2008 weltweit die häufigste Todesursache ist, wie aus den statistischen Daten der Weltgesundheitsorganisation (WHO) hervorgeht. Auch die WHO schätzt, dass es im Jahr 2030 weltweit 12 Millionen Krebstote geben wird. Jedes Jahr erkranken im Vereinigten Königreich mehr als 285.000 Menschen an Krebs, und aktuellen Schätzungen zufolge erkrankt mehr als jeder Dritte irgendwann im Leben an einer Krebsart. In Taiwan ist Krebs laut statistischen Daten des Gesundheitsministeriums (Taiwan) auch eine der häufigsten Todesursachen in der taiwanesischen Bevölkerung. Die Kosten für die Betreuung und Therapie von Krebspatienten sind hoch und belasten die Angehörigen der Krebspatienten. Daher stellt Krebs nicht nur eine große Bedrohung für das menschliche Leben dar, sondern hat auch schwerwiegende Auswirkungen auf die Gesellschaft und die nationale Gesundheit. Die Bekämpfung von Krebs ist daher eine der vorrangigen Aufgaben der biomedizinischen Forschung. Krebs ist ein Oberbegriff für eine große Gruppe von Krankheiten, die jeden Teil des Körpers betreffen können. Andere verwendete Begriffe sind bösartige Tumore und Neoplasien. Ein charakteristisches Merkmal von Krebs ist die schnelle Bildung abnormaler Zellen, die über ihre üblichen Grenzen hinauswachsen und dann in angrenzende Körperteile eindringen und sich auf andere Organe ausbreiten können. Dieser Vorgang wird als Metastasierung bezeichnet. Ein primärer Krebs ist eine Tumormasse, die an der Stelle der anfänglichen Umwandlung einer normalen Zelle in eine Tumorzelle vorhanden ist. Wenn alle Zellen im Primärtumor verbleiben würden, wäre Krebs von geringer klinischer Bedeutung. Das Wachstum des Tumors würde Druck auf das umgebende Gewebe ausüben, aber die genau definierte Tumormasse könnte durch eine Operation auf unkomplizierte und dauerhafte Weise entfernt werden. Dennoch bleiben Tumorzellen nicht immer an der primären Stelle, sondern entfernen sich durch einen von zwei Prozessen: (a) Invasion oder Bewegung von Zellen in benachbarte Räume, die von anderen Geweben eingenommen werden; und (b) Metastasierung, die Ausbreitung von Zellen in Bereiche, die nicht direkt an den Primärtumor angrenzen, normalerweise über den Blutkreislauf, das Lymphsystem oder durch den Körperraum. Die Metastasierung erfolgt im Allgemeinen in mehreren Stadien: (c) Ablösung von Zellen vom Primärtumor, (2) Eindringen und Migration von Tumorzellen in Lymphgefäße oder Blutgefäße, (3) Einlagerung von Tumorzellen in Blutgefäßen entfernter Organe, (d ) Invasion von Tumorzellen durch die Gefäßwände und in das Gewebe sekundärer Stellen, (e) Wachstum von Sekundärtumoren an den sekundären Stellen. Krebsmetastasen sind eine der Hauptursachen für krebsbedingte Letalität.

Zirkulierende Tumorzellen (CTCs) sind die seit 1869 dokumentierten seltenen Zellarten im peripheren Blut. Es ist allgemein bekannt, dass das Vorhandensein von CTCs im Kreislaufsystem mit der Bildung von Krebsmetastasen verbunden ist. Die grundlegenden Studien zu CTCs bergen ein enormes Potenzial für die Erforschung biologischer Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen, die der Krebsmetastasierung, krebsbedingten Genmutationen[8] oder der Entdeckung von Biomarkern zugrunde liegen, was Wissenschaftlern die Entwicklung neuer therapeutischer Lösungen für die zukünftige Krebsbehandlung erleichtern und beschleunigen könnte . Darüber hinaus wird angenommen, dass die CTCs im Blutkreislauf hauptsächlich für das Fortschreiten oder Wiederauftreten von Krebs verantwortlich sind und daher offensichtliche Ziele der Krebstherapie sind. Mehrere neue Studien haben gezeigt, dass CTCs eine Echtzeit-Tumorbiopsie sein können, die bei der Entwicklung neuer Medikamente und der Auswahl von Therapieschemata genutzt werden kann, mit denen die Pharmakodynamik bzw. das klinische Ansprechen von CTCs auf die Behandlungen ermittelt werden kann. Für den letztgenannten klinischen Nutzen sind die Reaktionen von CTCs auf Chemotherapie (z. B. Arzneimittelsensitivität oder -resistenz) können nicht nur als Leitfaden für die personalisierte Krebschemotherapie dienen, sondern auch ein klinisch wichtiger Indikator für die Überwachung der langfristigen therapeutischen Wirksamkeit, des Wiederauftretens der Krankheit und der Veränderung der biologischen Eigenschaften von CTCs in Echtzeit und auf nichtinvasive Weise sein . Dies kann prädiktive Informationen für die Anpassung des Therapieschemas in allen Phasen der Krebsbehandlung liefern. Allerdings ist die Verwendung von CTCs nach bestem Wissen der Forscher vor allem aufgrund ihrer Seltenheit mit einer ungefähren Konzentration von 1 CTC pro 105–107 mononukleären Blutzellen eingeschränkt, und diese Seltenheit macht es schwierig, sie sowohl nachzuweisen als auch zu isolieren. Darüber hinaus wurde das Verständnis der Forscher über ihre biologischen oder chemisch-physikalischen Eigenschaften durch die Verfügbarkeit von Technologien eingeschränkt, mit denen sie in ausreichender Zahl isoliert werden können. Die Menge an isolierten CTCs ist zu gering, um die niedrigsten Probengrenzen vieler detaillierter molekularer und funktioneller Experimente zu erreichen. Diese aus niedrigen Heilungsraten resultierenden Faktoren verlangsamen den klinischen Einsatz von CTCs. Trotz der Einschränkungen aktueller CTC-Isolierungsmethoden wurden bei der überwiegenden Mehrheit der Epithelkrebsarten, wie Brust-, Prostata-, Lungen- und Dickdarmkrebs, zirkulierende Krebszellen nachgewiesen. Bei Patienten mit metastasierten Läsionen werden in der Regel CTCs im Blut nachgewiesen; Allerdings wurde darüber auch bei einigen lokalisierten Krebsarten berichtet. Für weitere detaillierte Untersuchungen zu den Eigenschaften von CTCs und dem Mechanismus der Fernmetastasierung ist die Entwicklung einer zuverlässigen, hohen Wiederherstellungsrate mit hoher Reinheit isolierter CTCs derzeit die größte Herausforderung und entscheidend.

Bei der Präzisionsmedizin handelt es sich um eine relativ neue Strategie zur Identifizierung der besten Therapie für die Krankheit jedes Patienten, basierend auf der genomischen Charakterisierung des Tumors eines einzelnen Patienten. Obwohl dieser Ansatz enorm vielversprechend ist, machen die komplexen genetischen und epigenetischen Profile einzelner Tumorzellen diesen Ansatz zu einer Herausforderung . Ein weiterer Ansatz zur Vorhersage des Behandlungsansprechens bestand darin, Tumorzellen von Patienten in etablierten zweidimensionalen (2D) Modellen in Arzneimittelscreening-Studien direkt zu testen. Jüngste Studien von Yoshii und Kollegen zeigten, dass dreidimensionale (3D) Kulturbedingungen die Wachstumsbedingungen von Tumoren in vivo möglicherweise besser widerspiegeln als 2D-Zellkulturen. Um dies zu untersuchen, haben wir zuvor ein 3D-Kulturmodell für HNSCC erstellt und es mit 2D-Kulturen und In-vivo-Tumormodellen verglichen.

Von Patienten stammende Xenotransplantate (PDXs) werden häufig für Arzneimittel-Screening-Studien verwendet, um die Einschränkungen von 2D-Screening-Studien zu überwinden. Allerdings weisen PDX-Modelle auch einige Einschränkungen auf; Dazu gehören niedrige Transplantationsraten von Krebs bei Nacktmäusen, auffällige Unterschiede in der Pharmakokinetik zwischen zwei Menschen und Mäusen und die lange Zeit, die für Arzneimittelscreening-Studien bei PDXs erforderlich ist (4–8 Monate). In jüngster Zeit werden 3D-Zellkulturmodelle für Arzneimittel-Screening-Studien und Biomarker-Analysen verwendet. Die Etablierung von Zelllinien aus 2D-Kulturen von Tumoren, die aus Patientengewebe stammen, hat eine geringe Erfolgsquote, und nur ausgewählte Tumorzellen können in der 2D-Umgebung überleben, was sich in einer veränderten Tumorheterogenität gegenüber dem ursprünglichen Tumor widerspiegeln kann. Darüber hinaus ist bekannt, dass Langzeitkulturen genetische Veränderungen selektieren können. Da die meisten 3D-Kulturmodelle, die von etablierten 2D-Zelllinien abgeleitet sind, den ursprünglichen Tumorphänotyp nicht beibehalten, kann die Entwicklung von 3D-Krebsorganoidkulturen direkt aus dem Krebsgewebe eines Patienten, zu dem auch Krebsstammzellen gehören, den Charakter des Tumors des Patienten besser wiedergeben als solche, die davon abgeleitet sind Zellen, die zuvor als 2D-Kulturen passagiert wurden. Obwohl es veröffentlichte Methoden zur Erzeugung von Krebsorganoiden bei verschiedenen Krebsarten gibt, wurde noch nicht versucht, HNSCC-Krebsorganoide zu etablieren. Daher waren die Forscher daran interessiert, ein Organoidmodell für HNSCC-Krebs zu entwickeln, dessen Eigenschaften zu charakterisieren und sie mit den Merkmalen des Originals zu vergleichen.

Die CTOS-Methode (Cancer Tissue-Originated Spheroide) ist eine von Kondo et al. beschriebene Technik zur Etablierung von Krebs-Organoidlinien. die eine hohe etablierte Rate bei Dickdarmkrebs, Lungenkrebs und Blasenkrebs aufwiesen. Bei dieser Methode werden die gewonnenen Zelllinien kultiviert und als Organoide gehalten. Organoide haben die Fähigkeit, die gleichen histologischen Merkmale der ursprünglichen Tumore beizubehalten. Darüber hinaus ist die Population der Krebsstammzellen zwischen den ursprünglichen Tumor- und Organoidlinien sehr ähnlich, was darauf hindeutet, dass die CTOS-Methode den Charakter des ursprünglichen Tumors nachbilden kann. In diesem Vorschlag versuchen Forscher, die Machbarkeit der Etablierung und Charakterisierung von HNSCC-Organoiden sowie den Nutzen dieser Zelllinien als Modell für das Screening und Testen von Arzneimitteln zu bewerten.