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3D-gedruckte Tumormodelle könnten neue Krebstherapien voranbringen


20. Januar 2023 – Wissenschaftler haben große Fortschritte im Kampf gegen Krebs gemacht. Das Risiko einer Person, an Krebs zu sterben, ist in den USA in den letzten zwei Jahrzehnten um 27 % gesunken, zum großen Teil dank Forschern, die weiterhin die komplexen Details der Funktionsweise von Krebs aufdecken und Fortschritte in der Behandlung erzielen.

Jetzt verspricht die aufkommende Technologie des 3D-Biodrucks – wie der 3D-Druck für den menschlichen Körper unter Verwendung echter menschlicher Zellen – diese Forschung zu beschleunigen, indem sie es Wissenschaftlern ermöglicht, 3D-Tumormodelle zu entwickeln, die Proben von Patienten besser darstellen.

Die Auswirkungen könnten „enorm“ sein, sagt Y. Shrike Zhang, PhD, Assistenzprofessor für Medizin an der Harvard Medical School und assoziierter Bioingenieur am Brigham and Women’s Hospital, der 3D-Bioprinting untersucht. „Es ist nicht die einzige Technologie, die die Modellierung von Tumoren in vitro ermöglichen könnte, aber sie ist sicherlich eine der leistungsfähigsten.“

Wieso spielt das eine Rolle? Weil die 2D-Zellkulturen, die Wissenschaftler heute häufig verwenden, möglicherweise nicht alle Komplexitäten erfassen, wie Krebs wächst, sich ausbreitet und auf die Behandlung anspricht. Das ist einer der Gründe, warum so wenige potenzielle neue Krebsmedikamente – einer Schätzung zufolge 3,4 % – alle klinischen Studien bestehen können. Ergebnisse dürfen nicht von der Kulturschale auf den Patienten übertragen werden.

Ein 3D-biogedrucktes Modell hingegen kann die „Mikroumgebung“ eines Tumors besser kopieren – alle Teile (Zellen, Moleküle, Blutgefäße), die einen Tumor umgeben.

„Die Mikroumgebung des Tumors spielt eine wesentliche Rolle bei der Definition des Fortschreitens von Krebs“, sagt Madhuri Dey, Doktorandin und Forscherin an der Penn State University. „In-vitro-3D-Modelle sind ein Versuch, a [cancer] Mikroumgebung, die Aufschluss darüber gibt, wie Tumore auf Chemo- oder immuntherapeutische Behandlungen ansprechen, wenn sie in einer nativen Mikroumgebung vorhanden sind.“

Dey ist der Hauptautor einer Studie (finanziert von der National Science Foundation), in der Brustkrebstumoren 3D-biogedruckt und erfolgreich behandelt wurden. Im Gegensatz zu einigen früheren 3D-Modellen von Krebszellen hat dieses Modell diese Mikroumgebung besser imitiert, erklärt Dey.

Bisher „beschränkte sich der 3D-Biodruck von Krebsmodellen auf den Biodruck einzelner Krebszellen, die mit Hydrogelen beladen sind“, sagt sie. Aber sie und ihre Kollegen entwickelten eine Technik (genannt aspirationsunterstützter Biodruck), mit der sie kontrollieren können, wo sich Blutgefäße relativ zum Tumor befinden. „Dieses Modell legt die Grundlage für die Untersuchung dieser Nuancen von Krebs“, sagt Dey.

„Das ist eine ziemlich coole Arbeit“, sagt Zhang über die Studie der Penn State (an der er nicht beteiligt war). „Die Vaskularisierung ist immer eine Schlüsselkomponente in [a] Mehrheit der Tumorarten.“ Ein Modell, das Blutgefäße enthält, bietet eine „kritische Nische“, um Tumormodellen dabei zu helfen, ihr volles Potenzial in der Krebsforschung auszuschöpfen.

Ein 3D-Drucker für Ihren Körper

Die Chancen stehen gut, dass Sie schon vom 3D-Druck gehört haben und vielleicht sogar einen 3D-Drucker besitzen (oder jemanden kennen, der ihn besitzt). Das Konzept ist wie normales Drucken, aber anstatt Tinte auf Papier zu spritzen, setzt ein 3D-Drucker Schichten aus Kunststoff oder anderen Materialien hundert- oder tausendfach frei, um ein Objekt von Grund auf neu zu bauen.

Dreidimensional Biodruck funktioniert ähnlich, außer dass diese Schichten aus lebenden Zellen bestehen, um biologische Strukturen wie Haut, Gefäße, Organe oder Knochen zu schaffen.

Bioprinting gibt es seit 1988. Bisher wird es hauptsächlich in der Forschung eingesetzt, etwa im Bereich der regenerativen Medizin. Es wird an der Rekonstruktion des Ohrs, der Nervenregeneration und der Hautregeneration geforscht. Die Technologie wurde kürzlich auch zur Herstellung von Augengewebe verwendet, um Forschern bei der Untersuchung von Augenkrankheiten zu helfen.

Das Potenzial der Technologie für den Einsatz in der Krebsforschung muss noch vollständig ausgeschöpft werden, sagt Dey. Aber das mag sich ändern.

„Die Verwendung von 3D-Bioprint-Tumormodellen nähert sich der Translation in der Krebsforschung“, sagt Zhang. „Sie werden zunehmend von der Forschung übernommen und [the technology] hat begonnen, von der Pharmaindustrie für die Entwicklung von Krebsmedikamenten untersucht zu werden.“

Da Bioprinting automatisiert werden kann, könnten Forscher hochwertige, komplexe Tumormodelle in großem Maßstab erstellen, sagt Zhang.

Solche 3D-Modelle haben auch das Potenzial, den Einsatz von Tieren bei Tumormedikamententests zu ersetzen oder zu reduzieren, stellt Dey fest. Von ihnen „wird erwartet, dass sie im Vergleich zu Tiermodellen eine genauere Arzneimittelreaktion liefern, da die Tierphysiologie nicht mit der des Menschen übereinstimmt.“

Die FDA-Modernisierungsgesetz 2.0ein neues US-Gesetz, das die Anforderung abschafft, dass Medikamente an Tieren vor Menschen getestet werden, hat „den Weg für solche Technologien in der Medikamentenentwicklungspipeline weiter geebnet“, sagt Zhang.

Was wäre, wenn wir für jeden Patienten ein individuelles Tumormodell erstellen könnten?

Mögliche Anwendungen für Bioprinting gehen über das Labor hinaus, sagt Dey. Stellen Sie sich vor, wir könnten 3D-Tumormodelle basierend auf Biopsien von einzelnen Patienten anpassen. Ärzte könnten viele Behandlungen an diesen patientenspezifischen Modellen testen und so genauer vorhersagen, wie jeder Patient auf verschiedene Therapien ansprechen würde. Dies würde den Ärzten helfen, zu entscheiden, welcher Behandlungsverlauf am besten ist.

In Deys Studie wurde das 3D-Modell mit Chemotherapie und mit Immuntherapie behandelt, und es sprach auf beide an. Dies unterstreicht das Potenzial solcher 3D-Modelle, die Immunantwort des Körpers aufzudecken und zum Screening von Therapien verwendet zu werden, sagt Dey.

„Wir hoffen, dass diese Technik in Zukunft im Krankenhaus angepasst werden kann, was den Verlauf der Krebsbehandlung beschleunigen würde“, sagt Dey.

Zu diesem Zweck arbeiten sie und ihre Kollegen jetzt mit echten Brustkrebstumoren, die Patienten entnommen wurden, und stellen sie im Labor in 3D nach, um sie für das Chemo- und Immuntherapie-Screening zu verwenden.