Entwicklung von organo-typischen In vitro-Kultursystemen des kolorektalen Karzinoms und einer auf ihnen basierenden multi-funktionellen Medikamententestplattform

Abstract

Eine der zentralen Aufgaben der Tumorforschung ist die Entwicklung von wirksamen Therapeutika zur Tumortherapie. In präklinischen Analysen werden hierfür überwiegend Zelllinien als Grundlage verwendet. Verschiedene Studien zeigen jedoch, dass eine effektive Übertragbarkeit von Messergebnissen auf Tumore nicht gewährleistet ist, da durch ihre Gewinnung ein Verlust genetischer und biochemischer Tumor-typischer Merkmale und Charakteristika eintritt. Die Identifizierung von In vitro-Kultursystemen des kolorektalen Karzinoms, die Ursprungstumore repräsentieren, war daher die erste Aufgabe dieser Arbeit. Verschiedene Kultursysteme wurden etabliert und dahingehend untersucht, ob sie für Medikamententests verwendet werden konnten. Langzeit-kultivierte primäre Zellen entfernten sich zunehmend mit der Passagenzahl vom Zustand des Ursprungstumors. Kurzzeit-kultivierte primäre Zellen hingegen zeigten deutlich höhere Stabilität und bestanden aus heterogenen, den Ursprungstumor genauer entsprechenden Zellpopulationen. Dasselbe galt für die Kultur von Gewebeschnitten, die zusätzlich die dreidimensionale Struktur der Tumore berücksichtigte. Durch beide zuletzt genannte Kultursysteme konnten auf Ursprungstumore übertragbare Daten gewonnen und in Medikamententests die Eigenschaften individueller Tumore mit einbezogen werden. Auf Basis dieser beiden In vitro-Kultursysteme wurde im zweiten Teil der Arbeit eine Medikamententestplattform entwickelt. Die Wirkungen mehrerer Medikamente auf Vitalität, Proliferation, Apoptose und ausgewählte Proteine der Signaltransduktionswege konnten parallel, stabil und reproduzierbar an geringen Zell- und Gewebemengen gemessen werden. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden Analysen zur Anwendbarkeit der Medikamententestplattform in der Tumorforschung begonnen. Trotz der sehr heterogenen Patientengruppe konnten auf Basis von primären Zellen die Effekte der Medikamentenkombination FOLFOX reproduziert und gleichzeitig individuelle Unterschiede in Reaktionsmustern festgestellt werden. Klassifizierungsmuster und signifikant eindeutige Korrelationen konnten jedoch nicht identifiziert werden. Eine Fortsetzung dieser Analysen mit homogeneren Gruppen und größeren Fallzahlen könnte solche Identifizierungen jedoch ermöglichen. Dies könnte die Suche nach Tumor- und Resistenzmarkern als neue Angriffsziele für Medikamente und somit die Entwicklung von individuellen Therapien verbessern.

A central task of tumor research is the development of effective therapeutics for tumor therapy. Preclinical analysis is predominantly based on established cancer cell lines. However, several studies show that analysis data won from cell lines can not readily be translated to tumors in situ, since a loss of genetic and biochemical tumor-typical characteristics occurs during cell line establishment and cultivation. Identifying in vitro culture systems representing original tumor tissue is the first task of this thesis work. Different culture systems of colorectal carcinoma were established and surveyed to examine feasibility for use in drug testing. Primary cells in long-term culture increasingly departed from the tumor origin. However, the short-time cultures of primary cells showed clearly higher stability and consisted of heterogeneous cell populations which better reflected the origin tumor. This was the same for the culture of tissue slices, which considered the three-dimensional structure of the tumors in addition to the heterogeneous cell populations. By both last-mentioned culture systems analysis data transferable to tumors in situ could be obtained and included the individuality of the tumors in drug testing. Based on these two in vitro culture systems a drug testing platform was developed in the second part of this thesis work. The effects of several drugs on viability, proliferation, apoptosis and selected proteins of signal transduction pathways could be stably and reproducibly analyzed in parallel on small cell and tissue samples. For the third part of this thesis work the applications of the drug testing platform in the cancer research was begun. In spite of the very heterogeneous group of patients the effects of the drug combination FOLFOX could be reproduced in primary cells. Simultaneously, individual differences of drug reaction patterns could be determined. However, a classification in reference to these patterns as well as significantly reliable correlations of all data could not be identified. An expansion of these analysis to more homogeneous groups and larger numbers of cases could allow such identifications. Additionally, the drug testing platform could be promoted the discovery of tumor markers and markers involved in resistance pathways used as new targets for drugs and therefore considerably improve the development of individual therapies.