Tumorgewebe auf dem Chip: Neue Möglichkeiten für Zelltherapien und die personalisierte Medizin

Wie reagieren Tumore auf einen bestimmten Therapieansatz? Für die vielversprechende CAR-T-Zelltherapie haben Forschende des NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Instituts in Reutlingen sowie der Universitätskliniken Tübingen und Würzburg genau diese Beobachtung nun möglich gemacht – in Echtzeit und an Geweben der erkrankten Personen.

„Damit können wir individuell untersuchen, wie genau diese Tumorzellen auf die geplante Therapie reagieren, mit welchen Nebenwirkungen möglicherweise gerechnet werden muss und wie diese direkt verringert werden können“, beschreibt Peter Loskill, Professor an der Universität Tübingen und Gruppenleiter am NMI. Die Forschenden haben ihre Entwicklung nun in „Cell – Stem Cell“ veröffentlicht.

Erfolgskontrolle individuell und in Echtzeit

Diese Beobachtung gelang über die Tumor-on-Chip-Technologie, ein auf menschlichen Zellen basierendes komplexes In-vitro-System eines Brustkrebstumors, in dem Tumorgewebe außerhalb des Körpers gezüchtet wurde. Die Forschenden bildeten dabei nicht nur die komplexe 3D-Mikroumgebung eines Tumors nach, sondern ermöglichten auch die blutgefäßähnliche Perfusion, also die Durchströmung des Chips mit einem künstlichen Blutersatz. Über diesen Blutersatz wurden den Tumorzellen auch die CAR-T-Zellen zugeführt und ihre Wirkung direkt beobachtet.

Risiko Zytokinsturm

Wenn die modifizierten CAR-T-Zellen mit dem Krebsgewebe in Kontakt treten, setzen sie verschiedene Zytokine frei. Manchmal kommt es jedoch vor, dass diese Zytokinausschüttung sehr stark auftritt. Das wird Cytokin-Release-Syndrom (CRS) oder auch „Zytokinsturm“ genannt. Dieser Prozess führt zu Entzündungen im ganzen Körper und zeigt sich unter anderem durch Symptome wie Fieber, Schüttelfrost oder Übelkeit, kann aber auch zu Organversagen und anderen lebensbedrohlichen Symptomen führen.

Therapiewirkung wird vorhersagbar

„Die Tumor-on-Chip-Technologie gibt uns die Möglichkeit, Zellen zu beobachten, die aus genau dem Tumor stammen, den wir bekämpfen wollen“, beschreibt Wissenschaftler Tengku-Ibrahim Maulana von der Medizinischen Fakultät der Universität Tübingen. „Das heißt, wir können sehen, wie der Tumor der Patientin auf die CAR-T-Zelltherapie reagiert und zusätzlich, wie Medikamente im Fall eines Zytokinsturmes wirken.“

Neue Chancen durch komplexe humane Modellsysteme

Die Organ-on-Chip-Technologie, wie das hier entwickelte Tumor-on-Chip-Modell, ermöglicht es, komplexe humanbiologische Prozesse außerhalb des menschlichen Körpers nachzubilden und dabei sogar Patienten-spezifische Unterschiede zu erfassen. Speziell für neuartige Therapieansätze, wie Zell-, Antikörper- und Gentherapien, eröffnen sich so vollkommen neuartige Möglichkeiten, die es in Zukunft ermöglichen werden, bereits vor klinischen Studien human-relevante, Patienten-spezifische Aussagen treffen zu können. Den erkrankten Personen könnte sich hier also eine neue Perspektive bieten. Allerdings: Weitere Forschung ist notwendig.

Über das 3R-Center Tübingen

Das 3R-Center Tübingen für In-vitro-Modelle und Tierversuchsalternativen setzt sich in den drei Bereichen „Ausbildung, Weiterbildung & Training“, „Forschung“ und „Wissenschaftskommunikation & Öffentlichkeitsarbeit“ aktiv dafür ein, modernste Ersatz- und Ergänzungsmethoden zu Tierversuchen zu fördern und ihre konsequente Anwendung voranzubringen.

Es unterstützt (Nachwuchs)Wissenschaftler in der (bio)medizinischen Forschung und der pharmazeutischen Industrie dabei, humane mikrophysiologische Systeme, wie Organ-on-Chip- und Organoid-Modelle in ihre Prozesse zu integrieren und so die Anzahl unumgänglicher Tierversuche auf das Minimum zu reduzieren.

Zugleich berät das 3R-Center politische Entscheidungsträger. Als Teil des 3R-Netzwerks Baden-Württemberg wird das 3R-Center Tübingen seit seiner Gründung im Jahr 2020 gemeinschaftlich von der Medizinischen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen und dem NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut an der Universität Tübingen getragen.