Het printen van een volledige actieve en levensvatbare Glioblastoma-tumor met behulp van een 3D-printer 

De studie werd geleid door prof. Ronit Satchi-Fainaro, Sackler Faculty of Medicine en Sagol School of Neuroscience, directeur van het Cancer Biology Research Center, hoofd van het Cancer Research and Nanomedicine Laboratory en directeur van de Morris Kahn 3D-BioPrinting for Cancer Research Initiatief, aan de Universiteit van Tel Aviv. De nieuwe technologie is ontwikkeld door promovendus Lena Neufeld, samen met andere onderzoekers van het laboratorium van prof. Satchi-Fainaro: Eilam Yeini, Noa Reisman, Yael Shtilerman, Dr. Dikla Ben-Shushan, Sabina Pozzi, Dr. Galia Tiram, Dr. Anat Eldar-Boock en Dr. Shiran Farber.

De 3D-bioprinted modellen zijn gebaseerd op monsters van patiënten, rechtstreeks genomen uit operatiekamers op de afdeling Neurochirurgie van Tel Aviv Sourasky Medical Center. De resultaten van de nieuwe studie zijn vandaag gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Science Advances.

“Glioblastoom is de meest dodelijke kanker van het centrale zenuwstelsel, verantwoordelijk voor de meeste hersentumoren”, zegt prof. Satchi-Fainaro. “In een eerdere studie identificeerden we een eiwit genaamd P-Selectin, geproduceerd wanneer glioblastoma-kankercellen microglia tegenkomen – cellen van het immuunsysteem van de hersenen. We ontdekten dat dit eiwit verantwoordelijk is voor een storing in de microglia, waardoor ze ondersteunen in plaats van de dodelijke kankercellen aanvallen en de kanker helpen verspreiden. We hebben het eiwit echter geïdentificeerd in tumoren die tijdens de operatie zijn verwijderd, maar niet in glioblastoomcellen die zijn gekweekt op 2D plastic petrischaaltjes in ons laboratorium. De reden is dat kanker, zoals alle weefsels, zich zeer gedraagt op een plastic oppervlak anders dan in het menselijk lichaam. Ongeveer 90% van alle experimentele medicijnen faalt in de klinische stadia omdat het succes dat in het laboratorium wordt behaald, niet wordt gereproduceerd bij patiënten.”

Om dit probleem aan te pakken, creëerde het onderzoeksteam onder leiding van Prof. Satchi-Fainaro en PhD-student Lena Neufeld, ontvanger van de prestigieuze Dan David Fellowship, het eerste 3D-bioprinted model van een glioblastoma-tumor, dat 3D-kankerweefsel omvat omringd door extracellulaire matrix , die communiceert met zijn micro-omgeving en functionele bloedvaten.

“Het zijn niet alleen de kankercellen”, legt prof. Satchi-Fainaro uit. “Het zijn ook de cellen van de micro-omgeving in de hersenen; de astrocyten, microglia en bloedvaten die zijn verbonden met een microfluïdisch systeem – namelijk een systeem waarmee we stoffen zoals bloedcellen en medicijnen aan de tumorreplica kunnen leveren. Elk model wordt afgedrukt in een bioreactor we hebben ontworpen in het laboratorium, met behulp van een hydrogel die is bemonsterd en gereproduceerd uit de extracellulaire matrix die van de patiënt is genomen, waardoor het weefsel zelf wordt gesimuleerd. De fysieke en mechanische eigenschappen van de hersenen verschillen van die van andere organen, zoals de huid, borst, of bot. Borstweefsel bestaat voornamelijk uit vet, botweefsel is voornamelijk calcium; elk weefsel heeft zijn eigen eigenschappen, die het gedrag van kankercellen en hoe ze reageren op medicijnen beïnvloeden. Het kweken van alle soorten kanker op identieke plastic oppervlakken is geen optimale simulatie van de klinische setting.”

Na het succesvol afdrukken van de 3D-tumor, toonden prof. Satchi-Fainaro en haar collega’s aan dat, in tegenstelling tot kankercellen die op petrischalen groeien, het 3D-bioprinted model het potentieel heeft om effectief te zijn voor een snelle, robuuste en reproduceerbare voorspelling van de meest geschikte behandeling voor een specifieke patiënt.

“We hebben op drie verschillende manieren bewezen dat ons 3D-model beter geschikt is voor het voorspellen van de werkzaamheid van behandelingen, het ontdekken van doelwitten en de ontwikkeling van geneesmiddelen. Ten eerste hebben we een stof getest die het eiwit dat we onlangs hadden ontdekt, P-Selectine, remde in gekweekte glioblastoomcelculturen op 2D-petrischalen en vonden geen verschil in celdeling en migratie tussen de behandelde cellen en de controlecellen die geen behandeling kregen. Daarentegen waren we in zowel diermodellen als in de 3D-bioprinted modellen, die het eiwit tot overexpressie brengen, in staat om de groei en invasie van glioblastoom te vertragen door het P-Selectine-eiwit te blokkeren. Dit experiment toonde ons waarom potentieel effectieve medicijnen de kliniek zelden bereiken, simpelweg omdat ze niet slagen voor tests in 2D-modellen, en vice versa: waarom medicijnen als een fenomenaal succes in het laboratorium worden beschouwd , faalden uiteindelijk in klinische proeven. Bovendien voerden we, in samenwerking met het laboratorium van Dr. Asaf Madi van de afdeling Pathologie van de Faculteit der Geneeskunde van de TAU, genetische sequencing van de kankercellen gekweekt in het 3D-bioprinted model, en vergeleek ze met zowel kankercellen gekweekt op 2D plastic als kankercellen van patiënten. We hebben dus een veel grotere gelijkenis aangetoond tussen de 3D-bioprinted tumoren en van de patiënt afgeleide glioblastomacellen die samen met hersenstromacellen in hun natuurlijke omgeving zijn gegroeid. In de loop van de tijd veranderden de kankercellen die op plastic werden gekweekt aanzienlijk, en uiteindelijk verloren ze elke gelijkenis met de kankercellen in het hersentumormonster van de patiënt. Het derde bewijs werd verkregen door de tumorgroeisnelheid te meten. Glioblastoom is een agressieve ziekte, deels omdat het onvoorspelbaar is: wanneer de heterogene kankercellen afzonderlijk in modeldieren worden geïnjecteerd, zal de kanker bij sommigen slapend blijven, terwijl bij anderen zich snel een actieve tumor zal ontwikkelen. Dit is logisch omdat wij, als mensen, vredig van ouderdom kunnen sterven zonder ooit te weten dat we zulke slapende tumoren hebben. Op de schaal in het laboratorium groeien en verspreiden alle tumoren zich echter in hetzelfde tempo. In onze 3D-bioprinted tumor blijft de heterogeniteit behouden en is de ontwikkeling vergelijkbaar met het brede spectrum dat we zien bij patiënten of diermodellen.”

Volgens prof. Satchi-Fainaro zal deze innovatieve aanpak ook de ontwikkeling van nieuwe medicijnen mogelijk maken, evenals de ontdekking van nieuwe medicijndoelen – in een veel sneller tempo dan nu. Hopelijk zal deze technologie in de toekomst gepersonaliseerde geneeskunde voor patiënten mogelijk maken.

“Als we een monster nemen van het weefsel van een patiënt, samen met zijn extracellulaire matrix, kunnen we van dit monster 100 kleine tumoren 3D-bioprinten en veel verschillende medicijnen in verschillende combinaties testen om de optimale behandeling voor deze specifieke tumor te ontdekken. Als alternatief kunnen we test talrijke verbindingen op een 3D-bioprinted tumor en beslis welke het meest veelbelovend is voor verdere ontwikkeling en investering als een potentieel medicijn. Maar misschien is het meest opwindende aspect het vinden van nieuwe medicamenteuze doeleiwitten en genen in kankercellen – een zeer moeilijke taak wanneer de tumor bevindt zich in de hersenen van een menselijke patiënt of modeldier. Onze innovatie geeft ons ongekende toegang, zonder tijdslimieten, tot 3D-tumoren die het klinische scenario beter nabootsen, waardoor optimaal onderzoek mogelijk is.”

Link naar de onderzoeksvideo: https://www.youtube.com/watch?v=oUjuFyLF5nM