Beyond organoids: restoring the value of patient-derived two- dimensional colorectal cancer models

Kolorektales Karzinom ist eine Erkrankung des Dickdarms, die weltweit eine der häufigsten und tödlichsten Krebsformen bleibt. Um sie effektiv zu bekämpfen, müssen Wissenschaftler verstehen, wie sich einzelne Tumore verhalten und welche Medikamente sie stoppen könnten. Seit Jahrzehnten verlassen sich Forscher darauf, Krebszellen in flachen Schichten auf Kunststoffschalen zu züchten, was als zweidimensionale Kulturen bekannt ist. Diese Modelle sind kostengünstig und einfach anzuwenden, um neue Medikamente zu testen, haben aber einen entscheidenden Nachteil: Es ist sehr schwierig, sie direkt aus dem frischen Tumorgewebe eines Patienten herzustellen. Oft sterben die Zellen ab, bevor sie untersucht werden können, oder sie werden von Bakterien überwältigt. In den letzten Jahren hat ein anderer Ansatz an Popularität gewonnen: das Züchten von Tumoren in winzigen, dreidimensionalen Clustern, sogenannten Organoiden, oder das Züchten von ihnen in speziellen Mäusen. Während diese Methoden besser funktionieren, sind sie teuer und komplex. Die Frage blieb, ob die alte, einfache Flachkultur-Methode wieder zuverlässig für Patienten eingesetzt werden könnte, um eine günstigere und schnellere Möglichkeit zur Untersuchung der Krankheit zu bieten, ohne die einzigartigen Merkmale des individuellen Tumors zu verlieren.

Ein Forschungsteam am Universitätsklinikum Rostock in Deutschland ging diese Frage an, indem es auf die Arbeit von fast einem Jahrzehnt mit kolorektalen Karzinomproben zurückblickte. Sie untersuchten 158 Gewebeproben, die zwischen 2015 und 2023 von 136 Patienten entnommen wurden. Einige dieser Proben stammten direkt aus den Tumoren der Patienten, während andere von Tumoren stammten, die zuvor in Mäusen gezüchtet worden waren – ein Prozess, der das Gewebe von Bakterien reinigt und die Krebszellen anreichert. Die Forscher testeten zwölf verschiedene flüssige Umgebungen, oder Medien, um zu sehen, welche den Krebszellen ermöglichen würden, zu überleben und sich zu vermehren. Dazu gehörten ältere Rezepte mit tierischem Serum und neuere, sorgfältig definierte Mischungen, die keine tierischen Produkte enthalten, aber spezifische Wachstumsfaktoren beinhalten. Sie testeten auch, ob das Hinzufügen einer spezifischen chemischen Verbindung, bekannt als ein ROCK-Inhibitor, den Zellen half, an der Schale zu haften und den Stress der Übertragung vom Körper in das Labor zu überstehen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die alten Methoden zum Züchten dieser Zellen in der Tat ineffizient waren, aber die neuen Methoden änderten das Spiel. Als die Forscher die neueren, definierten, serumfreien Medien verwendeten, stieg die Erfolgsquote im Vergleich zu den älteren, serumhaltigen Rezepturen signifikant an. Die Zugabe des ROCK-Inhibitors gab einen weiteren Schub und verwandelte viele gescheiterte Versuche in erfolgreiche. Vielleicht am wichtigsten war, dass die Verwendung von Gewebe, das zuerst in Mäusen gezüchtet worden war, sich als eine leistungsstarke Strategie erwies. Kulturen, die aus diesen in Mäusen gezüchteten Tumoren stammten, waren etwa 58 Prozent der Zeit erfolgreich, verglichen mit nur 39 Prozent bei frischem Gewebe, das direkt von Patienten entnommen wurde. Als das Team beide Ansätze kombinierte – indem es zuerst frisches Gewebe versuchte und dann auf das in Mäusen gezüchtete Gewebe zurückgriff, falls dies fehlschlug –, konnte es aus mehr als 80 Prozent der Präparate eine stabile Zelllinie erstellen. Diese Erfolgsquote ist nun vergleichbar mit den teureren und komplexeren dreidimensionalen Organoid-Methoden, was darauf hindeutet, dass das einfache Flachkultur-Modell wieder ein lebensfähiges und effizientes Werkzeug für die Präzisionsmedizin ist.

Trotz dieser technischen Erfolge stellten die Forscher fest, dass sie nicht vorhersagen konnten, welche Tumore wachsen würden und welche nicht, basierend auf der Krankengeschichte des Patienten oder der spezifischen genetischen Ausstattung des Krebses. Sie untersuchten Faktoren wie das Alter des Patienten, das Stadium der Krebserkrankung, die Größe des Tumors und spezifische genetische Mutationen, aber keiner dieser Hinweise deutete zuverlässig darauf hin, ob eine Kultur erfolgreich sein würde. Dies ist tatsächlich ein positives Ergebnis für die wissenschaftliche Gemeinschaft, da es bedeutet, dass die resultierende Sammlung von Zelllinien nicht zugunsten eines bestimmten Patiententyps oder einer bestimmten genetischen Untergruppe voreingenommen ist. Das Panel der Zelllinien repräsentiert die volle Vielfalt des kolorektalen Karzinoms und stellt eine faire und repräsentative Ressource für das Testen neuer Behandlungen dar.

Die Studie deckte auch eine überraschende Verbindung zwischen der Fähigkeit eines Tumors, in einer Schale zu wachsen, und dem klinischen Ausgang beim Patienten auf. Patienten, deren Tumore erfolgreich eine Zelllinie im Labor etablierten, hatten tendenziell kürzere Überlebenszeiten im Vergleich zu denen, deren Tumore nicht wuchsen, selbst nachdem das Stadium der Krebserkrankung und die Frage, ob die Operation alle sichtbaren Krankheitsherde entfernt hatte, berücksichtigt wurden. Die Forscher vermuten, dass Tumore, die fähig sind, außerhalb des Körpers in einer Schale zu gedeihen, im Körper von Natur aus aggressiver sein könnten. Sie mahnen jedoch zur Vorsicht, da diese Beobachtung nicht das Hauptziel der Studie war und vor endgültigen Schlussfolgerungen in größeren Patientengruppen bestätigt werden muss.

Letztendlich zeigt diese Arbeit, dass Wissenschaftler mit der richtigen Kombination aus modernen, definierten Medien, einem hilfreichen chemischen Zusatzstoff und einem Backup-Plan unter Verwendung von in Mäusen gezüchtetem Gewebe nun zuverlässig einfache, zweidimensionale Zelllinien von Patienten mit kolorektalem Karzinom erstellen können. Dieser Ansatz bietet eine kostengünstige und skalierbare Möglichkeit, die Krankheit zu untersuchen und Medikamente zu testen, ohne die Notwendigkeit komplexer dreidimensionaler Strukturen oder teurer Tiermodelle. Die resultierende Sammlung von Zelllinien bietet ein breites und unvoreingenommenes Fenster in die Krankheit, bereit, Forschern dabei zu helfen, bessere Behandlungen für die vielfältige Bevölkerung von Menschen zu entwickeln, die von kolorektalem Karzinom betroffen sind.