Ein neues präklinisches orthotopes humanisiertes Osteosarkommodel - Entwicklung eines orthotopen humanisierten Xenograft-Modells für die translationale Osteosarkomforschung im Hinblick auf Arzneimitteltestung und Etablierung neuer prognostischer Marker
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Speziesspezifische Inkompatibilitäten zwischen dem menschlichen und dem tierischen Organismus haben im Rahmen der Tumorforschung in den letzten Jahren an erheblicher Bedeutung gewonnen. Unterschiede in der Aminosäuresequenz vieler Proteine führen zu vom Menschen verschiedenen Einflüssen auf zelluläre Signalwege, sobald neue Medikamente im Tierorganismus getestet werden, und damit zu nicht vorhersehbaren Folgen bei der Translation in die klinische Anwendung. Kürzlich stellte Perrin fest, dass 80% aller in der Maus positiv getesteten Medikamente ineffektiv sind, sobald sie schließlich am Menschen getestet werden. Insbesondere im Fall des häufigsten bösartigen Knochentumors, dem Osteosarkom, ist dies zu bedauern, da es in den vergangenen Jahren kaum Fortschritte im Bezug auf das Langzeitüberleben der Patienten gab. Die derzeit zur Verfügung stehenden Tiermodelle scheinen hier kein effektives Werkzeug darzustellen, da regelmäßig neue vielversprechende Substanzen in der Klinik keinen Fortschritt erzielen. Die Rolle der Mikroumgebung hat in letzter Zeit zunehmende Bedeutung in der onkologischen Forschung erlangt, da klar wurde, dass Matrixkomponenten und zelluläre Bestandteile von Geweben, welche einen Tumor umgeben, maßgeblichen für das Wachstumsverhalten eines Malignoms verantwortlich sind. Der Begriff „humanisieren" steht dabei für Techniken die verwuchen humane Gewebe in zumeist immunkomprimierte Mausorganismen zu inkorporieren, sodass Erkrankungen in einer humanen Mikroumgebung unter experimentellen in vivo-Bedingungen in der Maus erforscht werden können. Das bewilligte Projekt am Institute of Health and Biomedical Innovation an der Queensland University of Technology in Brisbane (Australien) hatte daher das Ziel, ein orthotopes humanisiertes tissue-engineertes Konstrukt (ohTEBC) zu entwickeln, welches am Mausoberschenkelknochen (Femur) lokalisiert ist. Somit ließ sich das Osteosarkom an seiner häufigsten Lokalisation und in einer humanisierten Knochenumgebung erforschen. Dabei wurden humane mesenchymalen Progenitorzellen (MPZs) im Rahmen von Knieprothesen-Operationen isoliert. 3-dimensionale Scaffolds wurden mittels Elekromelt-Spinning gedruckt, mit diesen MPZs besiedelt und anschließend um das Femur von immunsupprimierte Mäuse platziert. 6 Wochen nach Implantation zeigte sich in den Tieren neu gebildeter Knochen am Femur. Immunhistochemische Färbungen bestätigten, dass menschliche Knochenanteile in diesen Konstrukten zu finden sind. Außerdem konnten Färbungen zeigen, dass sich darunter auch blutbildende Stammzellen befinden. In einem weiteren Schritt wurden menschliche Osteosarkomzellen in die Konstrukte injiziert. 9 Wochen später zeigten sich Osteosarkome welche auch in die Lunge metastasierten. Dies ist ein entscheidender Faktor in der Osteosarkomforschung, da die meisten Patienten an den Folgen dieser Tumorabsiedelungen versterben. Histomorphologisch zeigten sich alle Aspekte eines Osteosarkoms. Die Tumore infiltrierten die Kortikalis und bildeten Osteoid. Immunhistochemische Färbungen zeigten, dass die Tumorzellen eine hohe Proliferationsfähigkeit besitzen. Die Zellen zeigten sich positiv für hsNuMa und konnten daher auch einem menschlichen Ursprung zugeordnet werden. Somit wurde mit dem geförderten Projekt ein erstes humanisiertes orthotopes tissue-engineertes Knochenmodell für die Anwendung in primären Knochentumoren entwickelt. Ob eine zusätzliche Humanisierung des blutbildenden Systems durch Knochenmarktransplantation möglich ist bleibt noch abzuwarten und wird derzeit analysiert. Weiterhin wird das Modell abschließend auf die Tumormarkerexpression der generierten Osteosarkome untersucht werden, um potentielle Zielproteine für die Osteosarkomtherapie zu finden. Das beschriebene Modell könnte zudem als orthotopes Modell für die Erforschung von Knochenmetastasen des Prostata- oder Mammakarzinoms fungieren. Die Anwendung auf andere bösartigen Knochenmarkserkrankungen wie Leukämie oder Plasmozytom ist ebenso denkbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Species-specific homing mechanisms of human prostate cancer metastasis in tissue engineered bone. Biomaterials. 2014 Apr;35(13):4108-15
Holzapfel BM, Wagner F, Loessner D, Holzapfel NP, Thibaudeau L, Crawford R, Ling MT, Clements JA, Russell PJ, Hutmacher DW
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Concise review: humanized models of tumor immunology in the 21st century: convergence of cancer research and tissue engineering. Stem Cells. 2015 Jun;33(6):1696-704
Holzapfel BM, Wagner F, Thibaudeau L, Levesque JP, Hutmacher DW
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A Validated Preclinical Animal Model for Primary Bone Tumor Research. Journal of Bone and Joint Surgery, June 2016
Wagner F, Holzapfel BM, Thibaudeau L, Straub S, Ling MT, Grifka J, Loessner D, Lévesque JP, Hutmacher DW
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Lycopene reduces ovarian tumor growth and intraperitoneal metastatic load. Am J Cancer Res. 2017; 7(6): 1322–1336
Holzapfel NP, Shokoohmand A, Wagner F, Landgraf M, Champ S, Holzapfel BM, Clements JA, Hutmacher DW, Loessner D
