Nanotechnologie und Organoide: Fortschritte in der Brustkrebsforschung
Ein besseres Verständnis der Biologie von Brustkrebs ist für die personalisierte Medizin und die Entwicklung wirksamerer Behandlungen von zentraler Bedeutung. Mit Brustkrebs-Organoiden, die speziell aus den Tumorzellen von Betroffenen hergestellt werden, können eine präzise Nachbildung von Brustgewebe und Tumoren erstellt und so die Grenzen herkömmlicher 2D-Zellkulturen überwunden werden. Dieser Fortschritt bietet ein wertvolles In-vitro-Modell für die Untersuchung der Brustkrebsbiologie und die Erforschung neuer Behandlungsmöglichkeiten. Das Aufkommen der Organchip(öffnet in neuem Fenster) –Technologie hat die In-vitro-Untersuchung von Krankheiten und die Arzneimittelforschung revolutioniert. Diese Mikrochips ahmen menschliche Organstrukturen nach, indem lebende Zellen so angeordnet werden, dass sie Organfunktionen simulieren, einschließlich der Komplexität des Brustgewebes. Zur Nachahmung der dynamischen physiologischen Umgebung von Organen und zur Erleichterung von Zell-zu-Zell-Interaktionen spielt die Mikrofluidik-Technologie(öffnet in neuem Fenster) eine zentrale Rolle.
Biomarker-Echtzeitüberwachung in Organchip-Systemen
Ziel des Projekts BITFORM war es, die bestehenden Organchip-Systeme für die Arzneimittelforschung zu verbessern, indem eine Echtzeitüberwachung der biomolekularen Zellsekrete eingeführt wurde. Diese Informationen werden bei der Entwicklung eines Krankheitsmodells benötigt – für die Überwachung von Therapien sowie für Wirksamkeits- und Toxizitätstests im Rahmen der Zulassungsverfahren für neue Arzneimittel. Die Forschungsarbeiten wurden mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) (MSCA) durchgeführt und umfassten die Entwicklung einer Multimodul-Plattform, die einen Brustkrebschip beinhaltet, der mit einem Biosensor-Modul für den Nachweis von Biomarkern in Echtzeit verbunden ist. Die Bewertung von Zellen, die in Organchips enthalten sind, erfolgt traditionell durch die direkte Beobachtung markierter biologischer Moleküle mit einem Mikroskop. „BITFORM ist auf einen markierungsfreien optischen Biosensor gestützt, der eine hohe Empfindlichkeit bei der Erkennung von Brustkrebs-Biomarkern in Echtzeit bietet“, erklärt der MSCA-Hauptforscher Miguel Holgado.
Ein Brustkrebs-Ökosystem mit neuem Design
Das Team entwickelte speziell ein Brustkrebs-Ökosystem-auf-einem-Chip, bei dem das 3D-Brustkrebsgewebe aus der Co-Kultur von Brustkrebszell-Sphäroiden und Brustepithelzellen entstand. Dieses Ökosystem besteht aus einem Fluidik-Chip für einen optimalen Flüssigkeitsfluss und einem physiologischen Sensormodul zur Überwachung von Sauerstoff, Temperatur und pH-Wert in den Zellkulturmedien und unterstützte die Lebensfähigkeit sowie das Wachstum von co-kultivierten Sphäroiden über längere Zeiträume. Der Einbau eines markierungsfreien optischen Biosensors auf der Grundlage von resonanten Nanosäulen ermöglichte den gleichzeitigen Nachweis mehrerer Biomarker in niedriger Konzentration, darunter Interleukin-8 (IL-8). Diese Technologie zeichnet sich durch eine verbesserte Lichtabsorption zum Nachweis von Molekülen in geringsten Konzentrationen aus.
Verbesserung der Arzneimittelforschung und -entwicklung
Mit zellbasierten Modellen kann meist das Ansprechen auf Arzneimittel in späteren klinischen Prüfungen nicht genau vorhergesagt werden. Angesichts der steigenden Zahl von Krebserkrankungen besteht ein dringender Bedarf an einem künstlichen System, mit dem genau prognostiziert werden kann, wie die Tumoren von Erkrankten auf Krebsmedikamente reagieren werden. „Mit der BITFORM-Plattform können dank der markierungsfreien Echtzeit-Messungen bis zu 10 verschiedene Verbindungen in einem einzigen Test überwacht und so der Prozess der Bewertung von Krebsmedikamenten beschleunigt werden“, betont Holgado. Holgado stellt sich eine noch anspruchsvollere Zukunft vor: ein Multiplexsystem, das 100 Biomarker erkennt und maschinelles Lernen für die Datenverarbeitung und personalisierte Behandlungspläne nutzt. Diese Plattform hat aufgrund ihrer Einfachheit, des minimalen Probenbedarfs, des minimalen Arzneimittelverlusts und der Kosteneffizienz das Potenzial, das Testen von Krebstherapien zu verändern.
