Innovativer Tumor-on-a-Chip für die Krebsforschung
Brustkrebs ist weltweit immer noch eine der häufigsten Krebserkrankungen bei Frauen. Doch obwohl die Sterblichkeitsrate bei älteren Frauen durch bessere Aufklärung und Therapieoptionen bereits verringert werden konnte, ist dies bei Frauen unter 50 Jahren noch nicht der Fall. „Die bedeutsamste Todesursache ist die Metastasierung von Tumoren“, erklärt Christa Ivanova, Forscherin beim Projekt MTOAC, die zugleich Forschungs- und Innovationsmanagerin beim Unternehmen ELVESYS in Frankreich ist. „Dabei lösen sich Zellen vom Primärtumor ab und wandern über die Blutbahn in Gewebe und Organe ein. Hat der Tumor erst einmal Metastasen gebildet, sinken die Überlebenschancen drastisch.“ Das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt MTOAC befasste sich im Detail mit diesem Metastasierungsprozess und entwickelte hierfür ein mikrofluidisches System, das die physiologische Umgebung eines Tumors nachbildet. Damit soll der Forschung eine einfache, kostengünstige Methode zur Anzüchtung und Analyse von Tumorzellen zur Verfügung gestellt werden. Wesentliche Vorteile sind u. a., dass sie ähnliche Ergebnisse wie In-vivo-Modelle liefert, allerdings preiswerter, ethisch unbedenklicher und einfacher zu realisieren ist.
Nachbildung der Tumorumgebung
Das von der Projektgruppe entwickelte Mikrofluidiksystem besteht aus einem winzigen Mikrofluidik-Chip für die Anzucht von Zellen, sowie Pumpen, die den Nährstoffzufluss zu den Zellen regulieren (und damit physiologische Bedingungen imitieren). Im Chip selbst werden drei Kammern durch winzige Kanäle verbunden. „An den in jedem einzelnen Kompartiment angezüchteten Zellen lässt sich das Zellwachstum und -verhalten gut beobachten“, ergänzt Ivanova. Nach der Entwicklung der mikrofluidischen Zellkulturplattform erfolgte die Besiedlung mit Zellen, u. a. kommerziell erhältlichen Brustkrebszellen. Durch Einbettung der Zellen in ein Hydrogel aus Kollagen konnte die Anhaftung an den Mikrofluidik-Chip verbessert werden. Bei ihrer Vermehrung bildeten die Zellen dann 3D-Strukturen. Bei diesen sogenannten „Tumor-on-a-Chip“-Systemen wurden mehrere Tagen danach Glukoseaufnahme, Hypoxie und Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen analysiert. „Wir entdeckten, dass Zellen, die sich vom Tumor absiedeln, mehr Glukose verbrauchen,“ erklärt Ivanova, „die sie natürlich für ihre schnellere Vermehrung brauchen. Hypoxiebedingt zeigten sich aber auch nekrotische Veränderungen im Innern der 3D-Zellkultur, was typisch ist für Tumoren, da das schnellere Zellwachstum die kontinuierliche Versorgung mit frischem Blut/Sauerstoff behindert. Dies wiederum ist meist der Auslöser für die Metastasierung.“ Die Arbeitsgruppe fand auch heraus, dass Kokulturen von Brustkrebs- und Blutgefäßzellen bewirken, dass die Brustkrebszellen in die Blutgefäße einwandern. „Da alle drei Beobachtungen mit bisherigen Forschungsbeiträgen übereinstimmen, ist davon auszugehen, dass unser neues 3D-Zellkultursystem die Tumormikroumgebung realistisch nachbildet“, vermerkt Ivanova.
Standardisierte Lösung
Der Erfolg des Projekts zeigt, dass die Mikrofluidik-Technologie der Forschung hervorragende Unterstützung bei der Analyse biologischer Mechanismen von Krebserkrankungen liefern kann. Ivanova erläutert: „Die Komplexität mikrofluidischer Systeme stellte bislang eine echte Hürde für die Forschung dar, sodass unser einfaches mikrofluidisches System künftig sehr viel mehr Forschenden die Arbeit erleichtern dürfte.“ Damit bietet das Projekt MTOAC einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung eines standardisierten Tumor-on-a-Chip-Systems und könnte künftig auch Tiermodelle ersetzen. Hier ist vor allem die Standardisierung entscheidend – denn obwohl bereits eine Reihe von Tumor-on-a-Chip-Systemen erhältlich sind, sind diese meist nur für bestimmte Zelllinien geeignet und noch immer zu teuer. „Wir werden das System weiterentwickeln, um es für die Forschung zugänglicher und bekannter zu machen“, fügt Ivanova hinzu.
Schlüsselbegriffe
MTOAC, maligne Tumoren, Mikrofluidik, Brust, Krebs, Zellen, Hypoxie, Blutbahn
