„Etablierung eines alternativen, in vivo-nahem 3D Tumor-Sphäroid-Modells zur Analyse der Strahlenreaktion“

Als alternatives aber sehr in vivo-nahes in vitro-Modell um die komplexe Krebsphysiopathologie getreu nachzuahmen, wurde ein dreidimensionales Zellkulturmodell etabliert (in Abbildung 1 skizziert, sowie Verweis auf Publikation 3) und dann erfolgreich verwendet (Publikation 1 und 2), bei denen Tumor-Stroma-Ko-Kulturen als Sphäroide in eine Matrix eingebettet wurden, die dann bzgl. der Strahlenantwort detailliert analysiert wurden. Diese komplexen Sphäroide, die aus mehreren Zelltypen bestehen und somit die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen Krebszellen und der sie umgebenden Mikroumgebung potentiell wiederspiegeln, reproduzieren einige wichtige Schlüsselfaktoren echter Tumore wie: (i) die Organisation von phänotypisch unterschiedlichen Zellen mit entsprechend unterschiedlichen Proliferationsraten in einer 3D-Anordnung, (ii) das Vorhandensein von Zell-Zell-Interaktionen und (iii) die Bildung von Diffusionsgradienten von Nährstoffen, Sauerstoff und Stoffwechsel-abfällen. Insgesamt können diese Form der Ko-Kultivierung, d.h. das Ermöglichen der Tumorzell-Interaktion mit Komponenten der umgebenden Mikroumgebung als wesentlich für die Etablierung von „klinisch relevanteren“ Tumormodellen angesehen werden.

Abbildung: Komplexe Sphäroide als alternatives, in vivo-nahes 3D-Modell zur Analyse des Einflusses stromaler Zellen bei der Strahlenantwort von Tumorgewebe. An dreidimensionalen Kulturen komplexer Sphäroide bestehend aus unterschiedlichen Zelltypen (in diesem Falle einer Prostatakarzinom-Zellen gemeinsam mit grün fluoreszierendem Protein (GFP)-markierten Fibroblasten) können gewünschte Behandlungen erfolgen, wie beispielsweise eine Bestrahlung (Radiotherapie, RT) und/oder die kombinierte Gabe potentiell therapeutisch aktiver Substanzen. Repräsentative Live-Aufnahmen von Tumor-Stroma-Sphäroiden 48 h nach Bestrahlung sind beispielhaftgezeigt nachdem die Zellen in den ‚lebenden‘ Sphäroiden mit dem Farbstoff Hoechst 83342 resultierend in einer Kernfärbung und Propidium-Iodid (ein rot-fluoreszierender Farbstoff der die im Zuge der Bestrahlung abgetöteten Zellen anzeigt) angefärbt wurden. Anschließend können die Sphäroide fixiert und histologisch oder molekular-biologisch aufgearbeitet werden. Das Sphäroid-Volumen kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt und mit Proliferations-/ Zelltod-Raten sowie zellulären Veränderungen korreliert werden.

Publikationen zur Methodik als Referenzen:

• 1: Wittka A, Ketteler J, Borgards L, Maier P, Herskind C, Jendrossek V, Klein D. Stromal Fibroblasts Counteract the Caveolin-1-Dependent Radiation Response of LNCaP Prostate Carcinoma Cells. Front Oncol. 2022;12:802482.
• 2: Steens, J, Klar L, Hansel C, Slama A, Hager T, Jendrossek V, Aigner C, Klein D. The vascular nature of lung resident mesenchymal stem cells. Stem Cells Transl Med. 2021;10(1):128-143.

3: Ketteler J, Leonetti D, Veas Roy V, Estephan H, Wittka A, Maier P, Reis H, Herskind C, Jendrossek V, Paris F, Klein D. Caveolin 1 regulates the ASMase/ ceramide-mediated radiation-response of endothelial cells in the context of tumor-stroma-interactions. Cell Death Dis. 2020;11(4):228.