Disease Modelling: Dem Lungenkrebs nachgestellt

23. September 2014
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Würzburger Forscher haben ein biologisches Testsystem für Lungenkrebspatienten entwickelt: So wollen sie nach neuen Medikamenten suchen und analysieren, wie Tumorzellen in benachbartes Gewebe eindringen und über die Blutgefäße auf Wanderschaft gehen.

Patienten mit Lungenkrebs haben nach wie vor eine schlechte Prognose. Operation, Strahlen– und Chemotherapie helfen in den meisten Fällen nur begrenzt. Moderne Medikamente, die zielgenau die aggressiven Tumorzellen bekämpfen, gibt es bislang kaum. Pharmafirmen haben deshalb in den vergangenen Jahren viel Geld in die Entwicklung neuer Wirkstoffkandidaten gesteckt. Doch die meisten Substanzen, die in präklinischen Studien positive Resultate erbringen, versagen beim Menschen.

„Ergebnisse aus Tierversuchen oder Experimenten mit Zellkulturen lassen sich nur zu einem geringen Teil auf die tatsächliche Situation bei Lungenkrebspatienten übertragen“, sagt Prof. Heike Walles, Inhaberin des Lehrstuhls für Tissue Engineering und Regenerative Medizin der Universität Würzburg. Die Forscherin entwickelt seit einiger Zeit ein neuartiges dreidimensionales Gewebemodell, das die Verhältnisse im menschlichen Körper besser nachstellen kann. Nun haben Walles und ihr Team das biologische Testsystem und die neuesten damit erzielten Ergebnisse auf der internationalen Messe BIO 2014 in San Diego der Fachwelt vorgestellt.

Teilstrukturen bleiben im Gewebemodell erhalten

Ausgangsmaterial für das würfelzuckergroße Testsystem ist ein Stück Schweinedarm. Daraus entfernen die Forscher alle Zellen, so dass nur die dreidimensionale Trägerstruktur übrigbleibt. Die unterschiedlichen Kompartimente des Bindegewebes bleiben dabei jedoch erhalten: „Die Matrix wird von den Röhrenstrukturen der ehemaligen Blutgefäße inklusive der Basalmembran durchzogen“, erklärt Walles. „Auf der zellfreien Trägerstruktur können dann unterschiedliche Gewebetypen voneinander getrennt kultiviert und neue Gewebeverbände aufgebaut werden.“ Dadurch, so die Forscherin, seien alle Voraussetzungen für ein relevantes Tumormodell geschaffen, das zukünftig Tierversuche möglichst ersetzen solle.

Um das neue Modell auf seine Praxistauglichkeit zu überprüfen, bepflanzten Walles und ihr Team das Trägermaterial mit verschiedenen humanen Zelltypen: Fibroblasten, die im Bindegewebe die Substanzen produzieren, aus denen die extrazelluläre Matrix aufgebaut ist, Endothelzellen, die die Blutgefäße auskleiden und Zellen aus Lungentumoren. „Wir wollen damit untersuchen, wie Tumorzellen die Basalmembran überwinden und zu den Blutgefäßen vordringen“, sagt Walles. Die Invasion der Tumorzellen in benachbartes Gewebe ist der erste Schritt zur Metastasierung: „Bisher ist es nicht möglich, einzelne Schritte der Metastasenentstehung und Migration gezielt zu untersuchen, dafür eignen sich weder Tiermodelle noch zweidimensionale Zellkulturmodelle“, sagt Walles.

Medikament hemmt Wachstum der Tumorzellen

Das künstliche Lungentumor-Gewebemodell ist in einer Nährflüssigkeit mehrere Wochen haltbar, es kann so aufgespannt werden, dass ihre oben liegende Seite Luftkontakt hat und die untere Seite die notwendigen Nährstoffe aufnimmt. In ersten, im Fachblatt Molecular Oncology veröffentlichten Experimenten hatten die Forscher um Walles bereits gezeigt, dass sie dank des neuen biologischen Testsystems in der Lage sind, die Wirkungsweise des zielgerichteten Medikaments Gefitinib zu reproduzieren. Diese Substanz bindet an den EGF-Rezeptor – ein Molekül, das auf vielen Tumorzellen in großen Mengen vorkommt. Durch die Blockade des Rezeptors mit Gefitinib lässt sich bei vielen Patienten das Tumorwachstum bremsen.

„Oftmals entwickeln Lungentumore jedoch Resistenzen gegen Gefitinib, ein Verhalten, das wir in unserem dreidimensionalen Modell ebenfalls beobachten konnten“, berichtet Walles. „Unser Ziel ist es nun, neue Substanzen zu testen, mit denen die Resistenzbildung verhindert wird.“ Langfristig wollen die Forscher für jeden Lungenkrebspatienten ein spezifisches Gewebemodell entwickeln: Dann, so Walles, ließe sich genau vorhersagen, welche Therapien bei dem jeweiligen Patienten ansprechen und welche nicht. Die dafür nötigen Lungenzellen könnten die behandelten Ärzte durch eine Biopsie erhalten.

Computerprogramm mit experimentellen Daten optimieren

Das Team um Walles arbeitet mit dem Lehrstuhl für Bioinformatik der Universität Würzburg zusammen. Dort helfen die mit der künstlichen Lunge gewonnenen Ergebnisse dabei, ein theoretisches Modell am Computer zu erstellen, das für verschiedene Patientengruppen vorausberechnen kann, ob eine bestimmte Behandlung anschlägt oder nicht. Aber auch umgekehrt können Walles und ihre Mitarbeiter die Resultate, die das Computerprogramm liefert, mittels des dreidimensionalen Testsystems überprüfen. „Durch das kontinuierliche Wechselspiel beider Modelle wollen wir Therapievorhersagen treffen, die immer patientenspezifischer werden“, sagt Walles.

Mittlerweile sucht die Forscherin auch in der Pharmaindustrie nach Kooperationspartnern, die mithilfe des biologischen Testsystems neue Medikamente finden wollen. Andere Experten bezweifeln aber, ob Pharmafirmen schon Interesse an der Technologie der Würzburger Wissenschaftler haben: „Die Pharmaindustrie benötigt Testsysteme, die einen hohen Durchsatz ermöglichen, die gut standardisierbar und kostengünstig sind“, sagt Matthias Nees, Leiter der Arbeitsgruppe Canceromics am VTT Technical Research Centre im finnischen Turku. „Das Modell von Walles und ihrer Arbeitsgruppe ist zwar sehr innovativ, aber es erfüllt die Forderungen der Industrie momentan noch nicht.“

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