TP3: Roboterbasierte Herstellung und Analytik personalisierter 3D Tumor-Modelle zur In-vitro-Testung für fortgeschrittene Tumorerkrankungen

AG Marco Metzger (Fraunhofer ISC)
AG Gudrun Dandekar (Universitätsklinikum Würzburg)
Industriepartner: TECObiosciences, InSCREENeX, Promega, Opto

Hintergrund und Stand der Forschung
Die Entwicklung individualisierter Therapieverfahren besonders im Bereich der Onkologie wird durch die biopharmazeutische Forschung seit einigen Jahren intensiv vorangetrieben. Hierbei besteht ein zunehmender Bedarf an aussagekräftigen Gewebemodellen, an denen Substanzen auf ihre Wirksamkeit patientenspezifisch getestet werden können. Vor allem für die bisher schwer therapierbaren fortgeschrittenen Krankheitsstadien besteht ein Mangel an Modellen, die Tumore in invasivem, metastasierten Zustand darstellen können. Zudem bedarf es eines hohen Maßes an Standardisierung und Parallelisierung unter Berücksichtigung relevanter Qualitätssicherungskriterien. Dies könnte zukünftig unter Zuhilfenahme moderner Robotersysteme realisiert werden, die eine extreme Wiederholgenauigkeit und Programmierbarkeit für beliebig komplexe Arbeitsabläufe besitzen. Bislang gibt es lediglich automatisierte Ansätze im Downstreamprozess bei der Applikation von Testsubstanzen im High-throughput-Verfahren und anschließender mikroskopischer Auswertung unter Zuhilfenahme von Standardrobotersystemen (http://www.ocello.nl). Daneben existieren Patente zur Herstellung verschiedenster Organoidsysteme (http://hub4organoids.eu). In Abgrenzung zu bisherigen Screeningsystemen soll in dem vorliegenden Projekt eine flexible roboterbasierte Herstellung unterschiedlich komplexer 3D-Tumor-Testsysteme am Beispiel von Darm-, Brust- und Lungentumoren, als zwei der häufigsten Tumorentitäten der westlichen Bevölkerung, etabliert werden.
In den Arbeitsgruppen der Antragsteller wurden verschiedenste 3D-Zellkulturtechniken als auch Automatisierungsstrategien etabliert (Nietzer et al., 2016; Schweinlin et al., 2016). So können intestinale Epithelzellen aus Darmbiopsien als Organoide einschließlich der Stammzellnische unlimitiert nach Standardprotokoll expandiert werden. Die Tumormodell-Herstellung auf biologischen Matrixstrukturen (Transwellkultur) und die Testung erfolgen ebenfalls standardisiert (Gottlich et al., 2016). Diese Tumormodelle enthalten als Barrieren die Basalmembranstruktur und modular ergänzbar auch das Endothel von Blutgefäßen, was die Untersuchung verschiedener Schritte der Metastasierung ermöglicht. Weiterhin konnten wir den Prozess der Einzelzellinvasion und die Tumorstroma-vermittelte Invasion darstellen (Nietzer et al., 2016; Stratmann et al., 2014). Die Anwendung von mutationsspezifischen Tumorzellen ermöglicht eine personalisierte Wirkstofftestung auch in unterschiedlich fortgeschrittenen Tumorstadien. Kombiniert mit einem in silico Modell können individualisierte Zielstrukturvorhersagen gemacht werden (Fecher et al., 2016; Gottlich et al., 2018; Gottlich et al., 2016; Stratmann et al., 2014).

Erwartete Ergebnisse
Das Projekt zielt auf einen automatisierten Pilotprozess zur individualisierten Wirkstofftestung an Tumoren auch fortgeschrittener Stadien ab, der die Anpassung auf GMP und neue Entitäten ermöglicht. Neben herkömmlichen Sphäroid/Organoid-Systemen werden Transwellansätze auf einer Gewebematrix genutzt, die Teilaspekte der Tumorumgebung und Metastasierung darstellen können. Die Automatisierung unterstützt bei regulatorischen Fragestellungen aufgrund der besseren Reproduzierbarkeit, was auch eine Voraussetzung für das effiziente Screening von bioinformatischen Vorhersagen ist, die systembiologisch individuelle Daten für die onkologische Präzisionsmedizin nutzen.