MetLung, ein innovatives 3D Lungenmetastasen Modell

Metastasierung ist die führende Todesursache bei Krebspatienten. Die häufigste Lokalisation von Metastasen bei soliden Tumoren des Kindesalters ist die Lunge. Ein Grund für das therapeutische Versagen bei metastasierter Erkrankung liegt in unserem geringen Wissen über die Besonderheiten der metastatischen Nische, welches auf einen Mangel an relevanten Tumormodellen zurückzuführen ist. Tiermodelle werden immer noch als Goldstandard für die präklinische Forschung angesehen, obwohl sie die menschliche Biologie nur unvollständig widerspiegeln und sie eine Vorhersage des Medikamentenansprechens in nur sehr geringem Maße zulassen. Neue technologische Fortschritte ermöglichen jedoch alternative Ansätze: Aus Gewebestammzellen können im Reagenzglas Organoide hochgezogen werden, welche die spezielle Architektur, Zusammensetzung und funktionellen Eigenschaften des Ursprungorgans rekapitulieren, während dreidimensional gedruckte Konstrukte die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Gewebeumgebung nachahmen. Unser Ziel ist es, vielseitig verwendbare und skalierbare in vitro Alternativen zu Tiermodellen für Lungenmetastasen solider Tumore zu schaffen, die in der präklinischen Medikamententestung Anwendung finden sollen. Unsere Modelle werden schrittweise mit steigender Komplexität konstruiert. Das Design der Modelle folgt der Zusammensetzung und den Eigenschaften von echten Lungenmetastasen der Patienten, welche mittels neuester, räumlich auflösender genomischer Einzelzellanalysen im Hochdurchsatz ermittelt werden, um eine höchstmögliche Vergleichbarkeit der Modelle mit der metastatischen Nische der Lunge zu erreichen. Die zelluläre Komplexität und die physikalischen Eigenschaften der Lungennische wird dann mit Lungenorganoid Kulturen in 3D- gedruckten Konstrukten simuliert. Diese Modelle werden dann mit Tumorzellen von Metastasen der Patienten besiedelt, und zur Ermittlung der Sensitivität gegenüber einer Vielzahl von Medikamenten herangezogen. So wollen wir den formalen Beweis erbringen, dass patientenspezifische 3D Modelle von Lungenmetastasen pädiatrischer solider Tumore eine ernstzunehmende Alternative zu Tiermodellen darstellen, um eine personalisierte Therapieauswahl für Patienten mit Lungenmetastasen zu ermöglichen. Zum ersten Mal werden wir Einzelzellgenomik, Organoid, und 3D-Druckverfahren kombinieren, um in vitro das Tumorwachstum in der metastatischen Nische nachzubilden. Dies erlaubt uns einen gezielten Eingriff in die Interaktion zwischen Tumor und metastatischer Nische, um effizientere, Biologie-basierte, personalisierte Behandlung von Lungenmetastasen zu ermöglichen.

Die häufigste Todesursache von Krebspatienten ist die Ausbildung von Therapie resistenten Absiedelungen in andere Organe. Viele solide Tumore tendieren dazu in die Lunge zu metastasieren. Dies gilt insbesondere auch für Knochentumoren des Kindes- und Jugendalters. Um Therapien zu entwickeln, die effektiv Lungenmetastasen bekämpfen, bedarf es geeigneter Modelle, die die Beobachtung von Tumorzellen im Lungenkontext ermöglichen. Bisher standen für die Metastasen spezifische Medikamententestung ausschließlich Tiermodelle zu Verfügung, welche die humane Biologie nur teilweise abbilden. In diesem Projekt entwickelten wir ein modulares, auf rein humanen Organoiden basierendes Kulturverfahren, das die Infiltration primärer humaner Tumorzellen in die menschliche Lunge ex vivo nachvollzieht. Dabei entdeckten wir unterschiedliche Muster der Tumorinfiltration bei Osteosarkomen und Ewing Sarkomen, den häufigsten Knochentumoren im Jugendalter. Während Osteosarkomzellen tief ins Innere der komplexen Lungenorganoide vordrangen, blieben Ewing Sarkomzellen in der Regel oberflächennahe. Die zur Validierung unserer Ergebnisse vorgenommene systematische Auswertung von Computertomographie Scans von Lungenmetastasen bei Patienten ergab ähnliche Infiltrationsmuster: Osteosarkomabsiedelungen fanden sich in der Lunge in der Regel in größerer Tiefe als Ewing Sarkom Metastasen. Die Adaptierung unseres Modells an Flüssigkulturbedingungen ermöglichte uns, frühe Auswirkungen des Kontaktes von Knochentumorzellen mit dem Lungenepithel zu untersuchen. Phänotypisch beobachteten wir eine markante fibrotische Strukturveränderung der Organoide. Entsprechend entdeckte die Einzelzell-Sequenzierung auf Transkriptomebene molekulare Veränderungen verschiedener Lungenepithelzelltypen, die mit Gewebereparatur in Antwort auf den Tumorzellkontakt vereinbar sind. Zur Validierung dieses Befundes untersuchten wir Gewebeschnitte von 21 Knochentumor Lungenmetastasen im Vergleich zu den korrespondierenden Primärtumoren mittels Spatial Transcriptomics Technologie. Wir bestätigten das Auftreten einer mit Gewebereparatur und Fibrose verbundenen Genexpressionssignatur im Lungengewebe der unmittelbaren Nachbarschaft der Metastasen. Weiterführende Einzelzelluntersuchungen erbrachten Hinweise auf die für die Auslösung fibrotischer Veränderungen verantwortliche molekulare Mechanismen, die wir durch Behandlung der gemischten Lungenorganoide mit pharmakologischen Hemmstoffen bestätigen konnten. In einer Kooperation mit der Medizinischen Universität Wien konnten ferner die Auswirkungen der Exposition gegenüber Mikroplastik in unserem Lungenorganoidmodell studiert werden. Dabei zeigte sich, dass Mikroplastik aus unserer Umwelt das Genexpressionsprogramm gesunder Lungenepithelzellen markant verändert. Gemeinsam zeigen unsere Ergebnisse, dass es möglich ist verschiedene pathologische Prozesse in der Lunge im Organoidmodell nachzuvollziehen und somit die Grundlage für zukünftige Medikamententestung zu legen.