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Innovative humane Pankreas-Adenokarzinom (PDAC) Modelle zur personalisierten Wirkstofftestung sind wichtig, um den hohen Therapiebedarf in diesem Bereich zu adressieren.

Das Pankreas-Adenokarzinom gehört heute zu den Tumorarten mit der geringsten Fünf-Jahres-Überlebensrate. Ein wesentlicher Grund für das Scheitern neuer Wirkstoffkandidaten ist das Fehlen prädiktiver Zell- und Tiermodelle in der präklinischen Forschung. Neben ihrer 3D Architektur zeichnen sich Pankreastumore außerdem durch eine große zelluläre Heterogenität aus. Das Tumormikromilieu ist hochfibrotisch und stark inflammatorisch und trägt maßgeblich zur Tumorprogression und zur Resistenzentwicklung bestehender Therapien bei. Das ZIEL dieses Projektes war die Etablierung einer neuen mikrofluidisch unterstützten humanen 3D PDAC Co-Kultur Modell Plattform mit integrierten Blutgefäßzellkomponenten in einem Biochip zur Identifizierung neuer personalisierter Therapieansätze. Die 3D Co-Kulturen setzen sich aus Pankreastumor-Zellen und den aus dem Primärtumor gewonnenen Sternzellen zusammen.

Die Entwicklung des PDAC-Models wurde auf einem Biochip mit einer speziellen, integrierten Membran durchgeführt. Diese Membran enthält Mikrokavitäten mit einem Durchmesser von 800m, um komplexe Gewebemodelle wie Tumorsphäroide unter mikrofluidischen Kulturbedingungen zu immobilisieren. Eine Membran in einer Biochipkammer kann bis zu 25 Sphäroide parallel aufnehmen. Zusätzlich enthält solch eine Biochipkammer eine zweite, darüber liegende Flachmembran zur Etablierung von Blutgefäßstrukturen. Auf einem Biochip sind zwei Kulturkammern vorgesehen, wodurch bis zu 50 PDAC-Sphäroide parallel untersucht werden können.

Abb. 1: Konzept des Biochip-basierten PDAC-Modells.
Links ist der entworfene Biochip mit zwei Kulturkammern und einem Detailausschnitt aus einer der beiden Kammern gezeigt. Rechts daneben ist die spätere Lokalisation der biologischen Gewebekomponenten konzeptionell gezeigt. Pfeile geben dabei die Fließrichtung des Kulturmediums unter mikrofluidischen Einsatz des Modells an.

 

 

Nach der initialen Konzeptionierung und Umsetzung des Chipdesigns wurde die Integration der PDAC-Späroide in dem neuen Chip bearbeitet. Dabei wurden Kanaldimensionen, -führung so wie das Kulturzeitfenster der Sphäroide vor Einbringung in den Biochip getestet. Eine Kultivierungszeit von 4 Tagen vor dem Transfer in den Biochip stellte sich als ideal heraus. Im nächsten Schritt wurde die Methodik zur Einbringung der Gewebssphäroide optimiert, um eine zerstörungsfreie Einbringung und eine maximale Besetzung aller Mikrokavitäten mit Sphäroiden zu gewährleisten. Es konnte schließlich eine Methode entwickelt werden, womit eine Belegung von 80-90 % erreicht werden konnte (Abb. 2).

Abb. 2: Optimierte Beladung des PDAC-Biochips mit PDAC-Sphäroiden.
A) Exemplarische Mikroskopieaufnahme mit Nummerierung der eingebrachten Sphäroide (1-19. B steht für Luftblasen). B) Exemplarische Quantifizierung zweier Beladungsversuche nach optimiertem Protokoll.

 

 

Im nächsten Schritt wurde das Modell unter 72 h Perfusion getestet. Hierbei konnte beobachtet werden, dass die PDAC-Sphäroide stabil und vital blieben und von der Umspülung mit Zellkulturmedium profitierten. Dieser Zeitraum ist allgemein zur Überprüfung der akuten zytotoxische Wirksamkeit von Therapeutika anerkannt.

Weiterführend wurde im Rahmen des Projektes zusätzlich eine Vaskularisierung des neuen Biochip-basierten PDAC-Modells erfolgreich etabliert. Dabei wurde durch intensives Evaluieren verschiedener Kulturparameter wie Porengröße in der Membran, Membranbeschichtungen mit Bindegewebskomponenten, Einsaatdichten von Blutgefäßzellen und Perfusionsgeschwindigkeiten während der mikrofluidischen Kultur die beste Kombination erfolgreich erarbeitet.

Es konnte somit eine hervorragende Basis geschaffen werden, um sich weiter mit den Thematiken der Immunzellperfusion und der dynamischen Wirkstoffgabe, ähnlich wie im Patienten, zu beschäftigen. Die Stiftung SET konnte mit ihrer Projektförderung helfen, einen erfolgreichen Grundstein für zukünftige Fortentwicklungen zu schaffen. Hierfür wurden mit den generierten Daten bereits erfolgreich weitere Forschungsgelder akquiriert.