En videnskabelig præstation for forskere ved Tel Aviv University: udskrivning af en hel aktiv og levedygtig glioblastom tumor ved hjælp af en 3D-printer. Den 3D-bioprintede tumor omfatter et komplekst system af blodkar-lignende rør, hvorigennem blodlegemer og narkotika kan flyde, simulerer en reel tumor.

Undersøgelsen blev ledet af prof. Ronit Satchi-Fainaro, Sackler Faculty of Medicine og Sagol School of Neuroscience, direktør for Cancer Biology Research Center, leder af Cancer Research and Nanomedicine Laboratory og direktør for Morris Kahn 3D-BioPrinting for Cancer Research Initiative, på Tel Aviv University. Den nye teknologi blev udviklet af ph.d.-studerende Lena Neufeld, sammen med andre forskere ved Prof. Satchi-Fainaros laboratorium: Eilam Yeini, Noa Reisman, Yael Shtilerman, Dr. Dikla Ben-Shushan, Sabina Pozzi, Dr. Galia Tiram, Dr. Anat Eldar-Boock og Dr. Shiran Farber.

De 3D-bioprintede modeller er baseret på prøver fra patienter, taget direkte fra operationsstuer på Neurokirurgisk afdeling i Tel Aviv Sourasky Medical Center. Den nye undersøgelses resultater blev offentliggjort i dag i det prestigefyldte tidsskrift Science Advances.

“Glioblastoma er den mest dødelige kræft i centralnervesystemet, der tegner sig for de fleste hjerne maligniteter,” siger Prof. Satchi-Fainaro. “I en tidligere undersøgelse identificerede vi et protein kaldet P-Selectin, der blev produceret, når glioblastom kræftceller støder på mikroglia – celler i hjernens immunsystem. Vi fandt ud af, at dette protein er ansvarlig for en fiasko i mikrogliaen, hvilket får dem til at støtte snarere end angribe de dødelige kræftceller og hjælpe kræften med at sprede sig. Men vi identificerede proteinet i tumorer fjernet under operationen, men ikke i glioblastom celler dyrket på 2D plast petriskåle i vores laboratorium. Årsagen er, at kræft, ligesom alle væv, opfører sig meget forskelligt på en plastik overflade, end det gør i den menneskelige krop. Ca. 90% af alle eksperimentelle lægemidler mislykkes i de kliniske stadier, fordi den succes, der opnås i laboratoriet, ikke reproduceres hos patienter.”

For at løse dette problem skabte forskerholdet ledet af prof. Satchi-Fainaro og ph.d.-studerende Lena Neufeld, modtager af det prestigefyldte Dan David Fellowship, den første 3D-bioprintede model af en glioblastom tumor, som omfatter 3D-kræftvæv omgivet af ekstracellulær matrix, som kommunikerer med sit mikromiljø og funktionelle blodkar.

“Det er ikke kun kræftcellerne,” forklarer prof. Satchi-Fainaro. “Det er også cellerne i mikromiljøet i hjernen; astrocytter, mikroglia og blodkar forbundet til et mikrofluidisk system – nemlig et system, der gør det muligt for os at levere stoffer som blodlegemer og narkotika til tumor replika. Hver model er trykt i en bioreaktor, vi har designet i laboratoriet, ved hjælp af en hydrogel udtaget og gengivet fra den ekstracellulære matrix taget fra patienten og derved simulerer selve vævet. De fysiske og mekaniske egenskaber i hjernen er forskellige fra andre organer, som hud, bryst, eller knogle. Brystvæv består for det meste af fedt, knoglevæv er for det meste calcium; hvert væv har sine egne egenskaber, som påvirker kræftcellernes adfærd, og hvordan de reagerer på medicin. Dyrkning af alle former for kræft på identiske plastoverflader er ikke en optimal simulering af den kliniske indstilling.”

Efter en vellykket udskrivning af 3D tumor, Prof. Satchi-Fainaro og hendes kolleger viste, at i modsætning til kræftceller vokser på petriskåle, 3D-bioprintet model har potentiale til at være effektiv til hurtig, robust og reproducerbar forudsigelse af den mest egnede behandling for en bestemt patient.

“Vi beviste, at vores 3D-model er bedre egnet til forudsigelse af behandlingseffektivitet, målopdagelse og lægemiddeludvikling på tre forskellige måder. Først testede vi et stof, der hæmmede det protein, vi for nylig havde opdaget, P-Selectin, i glioblastomcellekulturer dyrket på 2D-petriskåle og fandt ingen forskel i celledeling og migration mellem de behandlede celler og kontrolcellerne, som ikke modtog nogen behandling. I modsætning hertil var vi i både dyremodeller og i de 3D-bioprintede modeller, der overekspresserer proteinet, i stand til at forsinke væksten og invasionen af glioblastom ved at blokere P-Selectin-proteinet. Dette eksperiment viste os, hvorfor potentielt effektive lægemidler sjældent når klinikken, simpelthen fordi de ikke tester i 2D-modeller, og omvendt: hvorfor lægemidler betragtes som en fænomenal succes i laboratoriet, i sidste ende mislykkes i kliniske forsøg. Derudover gennemførte vi i samarbejde med laboratoriet hos Dr. Asaf Madi fra Institut for Patologi ved TAU’s Medicinske Fakultet genetisk sekventering af de kræftceller, der dyrkes i 3D-bioprintet model, og sammenlignede dem med både kræftceller dyrket på 2D-plast- og kræftceller taget fra patienter. Således viste vi en meget større lighed mellem de 3D-bioprintede tumorer og patient-afledte glioblastomceller dyrket sammen med hjernen stromale celler i deres naturlige miljø. Gennem tiden, kræftceller dyrket på plast ændret betydeligt, endelig mister enhver lighed med kræftceller i patientens hjernetumor prøve. Det tredje bevis blev opnået ved at måle tumorvækstraten. Glioblastom er en aggressiv sygdom, dels fordi det er uforudsigeligt: Når de heterogene kræftceller injiceres separat i modeldyr, vil kræften forblive i dvale i nogle, mens en aktiv tumor i andre vil udvikle sig hurtigt. Dette giver mening, fordi vi som mennesker kan dø fredeligt af alderdom uden nogensinde at vide, at vi har huseret sådanne sovende tumorer. På fadet i laboratoriet vokser og spredes alle tumorer imidlertid i samme hastighed. I vores 3D-bioprintede tumor opretholdes heterogeniteten, og udviklingen ligner det brede spektrum, som vi ser hos patienter eller dyremodeller.”

Ifølge Prof. Satchi-Fainaro, denne innovative tilgang vil også muliggøre udviklingen af nye lægemidler, samt opdagelsen af nye lægemiddelmål – i et meget hurtigere tempo end i dag. Forhåbentlig vil denne teknologi i fremtiden lette personlig medicin til patienter.

“Hvis vi tager en prøve fra en patients væv sammen med dens ekstracellulære matrix, kan vi 3D-bioprint fra denne prøve 100 små tumorer og teste mange forskellige lægemidler i forskellige kombinationer for at opdage den optimale behandling for denne specifikke tumor. Alternativt kan vi teste mange forbindelser på en 3D-bioprintet tumor og beslutte, hvilket er mest lovende for yderligere udvikling og investering som et potentielt lægemiddel. Men måske det mest spændende aspekt er at finde nye druggable mål proteiner og gener i kræftceller – en meget vanskelig opgave, når tumoren er inde i hjernen på en menneskelig patient eller model dyr. Vores innovation giver os hidtil uset adgang, uden tidsbegrænsninger, til 3D-tumorer, der efterligner bedre det kliniske scenario, hvilket muliggør optimal undersøgelse.”

Link til forskningsvideoen: https://www.youtube.com/watch?v=oUjuFyLF5nM