3D spheroid models to study tumor colonizing anaerobic bacteria: a bridge from in vitro to in vivo

Im Inneren der hartnäckigsten Tumore des Körpers bildet sich oft eine seltsame und gefährliche Landschaft. Während sich Krebszellen mit rücksichtsloser Geschwindigkeit vermehren, wachsen sie über ihre eigene Blutversorgung hinaus und schaffen Taschen tiefer Auszehrung, in die kein Sauerstoff gelangen kann. Diese Bereiche sterben ab und verwandeln sich in nekrotisches Gewebe – ein Kennzeichen aggressiver Erkrankungen, das meist auf eine schlechte Prognose für den Patienten hindeutet. Doch diese Todeszone birgt ein einzigartiges Geheimnis: Sie ist der einzige Ort, an dem bestimmte Arten von Bakterien, die ohne Sauerstoff nicht überleben können, gedeihen können. Wissenschaftler wissen seit langem, dass diese anaeroben Bakterien natürlich diese sterbenden Tumorkerne aufsuchen und dort siedeln. Diese Entdeckung hat eine jahrzehntelange Bemühung angestoßen, diese mikroskopischen Eindringlinge in Verbündete zu verwandeln, indem man sie so manipuliert, dass sie Medikamente abliefern oder das Immunsystem dazu bringen, den Krebs von innen heraus anzugreifen.

Bevor diese lebenden Medikamente jedoch am Menschen getestet werden können, müssen Forscher nachweisen, dass sie sicher und wirksam sind. Traditionelle Labortests mit flachen Zellschichten in einer Petrischale können das tote, sauerstoffarme Zentrum eines Tumors nicht nachbilden, was es unmöglich macht zu sehen, ob die Bakterien ihr Ziel tatsächlich finden werden. Umgekehrt wirft das Testen direkt an Tieren ernste ethische Bedenken auf und ist oft zu komplex, um viele verschiedene Bakterienstämme schnell zu untersuchen. Um diese Lücke zu schließen, hat ein Team von Forschern der Universität Maastricht ein neues, dreidimensionales Modell entwickelt, das die realen Bedingungen innerhalb eines Tumors nachahmt und es ihnen ermöglicht, das Verhalten dieser Bakterien in einer Umgebung zu beobachten, die dem menschlichen Körper sehr ähnlich ist.

Die Forscher begannen damit, winzige, kugelförmige Cluster aus Krebszellen aus drei verschiedenen Quellen zu züchten: zwei Arten von Mauskrebs und eine Art von menschlichem Darmkrebs. Sie ließen diese Cluster wachsen, bis sie ihre eigenen internen Todeszonen entwickelten, genau wie echte Tumore es tun. Nachdem diese nekrotischen Kerne entstanden waren, führte das Team Sporen von Clostridium sporogenes ein, einem für Menschen harmlosen Bakterium, das jedoch liebt, in sauerstofffreien Umgebungen zu leben. Sie beobachtten, dass die Bakterien erfolgreich aus ihren Sporen schlüpften und tief in die toten Zentren der Zellkugeln wanderten. In den Mauskrebsmodellen wuchsen die Bakterien so heftig, dass sie schließlich die gesamte Tumorkugel zum Zerfallen brachten, während sie in den menschlichen Krebsmodellen ansiedelten und stabil blieben, was das Geschehen in lebenden Tieren widerspiegelt.

Nachdem die Bakterien diese Modelle erfolgreich kolonisiert hatten, widmete sich das Team der Sicherheit. Ein großes Bedenken bei der Verwendung von Bakterien als Medizin ist die Möglichkeit, sie zu stoppen, falls sie Probleme verursachen oder wenn die Behandlung beendet werden muss. Die Forscher testeten mehrere gängige Antibiotika, um zu sehen, welche die Bakterien aus dem Inneren der Tumorkugeln entfernen könnten. Sie fanden heraus, dass einige Medikamente, wie etwa Tigecyclin, das Wachstum der Bakterien lediglich anhielten; sobald die Wirkung des Medikaments nachließ, begannen die Bakterien wieder zu wachsen. Andere Antibiotika hingegen, speziell Augmentin und Vancomycin, wirkten als wahre Killer, die die Bakterienpopulation vollständig vernichteten und die Tumorkugeln intakt und frei von Infektion hinterließen. Diese Unterscheidung ist entscheidend, da sie beweist, dass das Modell zwischen Medikamenten unterscheiden kann, die Bakterien nur verlangsamen, und solchen, die sie vollständig eliminieren können.

Schließlich testete das Team eine spezifische Krebstherapie namens Clostridium-Directed Enzymatic Prodrug Therapy. Bei diesem Ansatz werden die Bakterien genetisch so verändert, dass sie ein spezielles Werkzeug tragen, das ein harmloses Medikament in ein Gift umwandelt, aber nur innerhalb des Tumors, in dem die Bakterien leben. Die Forscher gaben diese manipulierten Bakterien und das harmlose Medikament in ihre Tumormodelle. In den Mauskrebsmodellen führte die Kombination dazu, dass die Tumorkugeln signifikant stärker schrumpften, als wenn entweder die Bakterien oder das Medikament allein verwendet worden wären. Die menschlichen Krebsmodelle zeigten einen ähnlichen Trend der Wachstumshemmung, wenngleich der Effekt weniger ausgeprägt war. Diese Ergebnisse stimmten mit dem überein, was Wissenschaftler zuvor in lebenden Tieren beobachtet hatten, was bestätigte, dass diese einfache, dreidimensionale Zellkugel präzise vorhersagen kann, wie eine komplexe bakterielle Therapie in einem lebenden Körper performen wird.

Durch die Schaffung eines Systems, das das tote, sauerstoffarme Herz eines Tumors erfasst, haben die Forscher ein leistungsstarkes neues Werkzeug für die Zukunft der Krebsbehandlung bereitgestellt. Dieses Modell ermöglicht es Wissenschaftlern, Dutzende von Bakterienstämmen und Medikamentenkombinationen schnell und ethisch vertretbar zu untersuchen und diejenigen herauszufiltern, die nicht funktionieren werden, noch bevor sie jemals an einem Tier oder einem Menschen getestet werden. Es bietet einen klaren Weg nach vorn zur Verfeinerung dieser lebenden Medikamente und stellt sicher, dass sie, wenn sie schließlich die Klinik erreichen, sicher, wirksam und bereit sind, die gefährlichsten Teile des Krebs zu bekämpfen.