Biomimetisches, bestrahlungsquervernetztes Kollagen und Gelatine als in vitro Modell zur Erforschung der Physik von Krebsausbreitung und Medikation

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Stefan Mayr; Professorin Dr. Mareike Zink
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326558614

Weltweit ist Krebs eine der Haupttodesursachen und größten Krankheiten; die Entwicklung effektiver Therapien kann daher als eine der großen Herausforderungen der Menschheit gesehen werden. Obwohl es in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gegeben hat, ist das Verständnis der biophysikalischen Prozesse, die Krebs verursachen, bei weitem nicht verstanden. Neue Konzepte aus der Physik und Materialwissenschaften auch in Hinblick auf effektivere Therapieansätze sind daher von großer Bedeutung. Das aktuelle Projekt behandelt diese beiden Seiten der Krebsforschung aus physikalischer Sicht, wobei es sich auf die sehr spezielle Frage der Quervernetzung von Kollagen fokussiert. Tatsächlich ist es unter Onkologen seit Jahren bekannt, dass sich Tumore wie das Mammakarzinom durch Abtasten identifizieren lassen. Der Zusammenhang zwischen einer Verhärtung der extrazellulären Matrix (ECM) und der Tumorentwicklung, insbesondere der Tumorausbreitung, wird jedoch erst seit kurzem untersucht. Kollagen I als ein Hauptbestandteil der ECM in der Umgebung des Tumors (insbesondere von Karzinomen) spielt dabei eine entscheidende Rolle. In einem interdisziplinären Ansatz ermöglicht uns Elektronenbestrahlung, die Kollagen ohne Zugabe von irgendwelchen Reagenzien quervernetzen kann, diese Fragen anzugehen und die Physik von Krebs zu erforschen. Darüber hinaus wird es uns damit möglich sein, ein neuartiges dreidimensionales Tumormodell mit realistischen mechanischen Eigenschaften zu etablieren, das poröses Kollagen mit variabler Härte als ECM-Modell benutzt, in dem Spheroide aus Krebszellen mit unterschiedlicher Aggressivität eingebettet werden. Es wird nicht nur ermöglichen die Ursachen für das Ausbreiten und die Dynamik von Tumorzellen zu studieren, sondern soll auch als in vitro Modell für Chemotherapie eingesetzt werden. Letzteres wird im Fokus des zweiten Projektschwerpunkts liegen, die sich mit der Entwicklung eines programmierbaren kollagen-basieren Systems zur Freisetzung von Chemotherapeutika befasst. Als Derivat von Kollagen, lässt sich nämlich Gelatine ähnlich im Elektronenstrahl quervernetzen, was in breit einstellbaren Freisetzungsraten von Medikamenten und Degenerationszeiten resultiert. Die Charakterisierung dieses neuen Systems zur kontrollierten Medikamentenzufuhr mit dem neu entwickelten dreidimensionalen Tumormodell wird das Projekt abrunden und neue Perspektiven schaffen die mechanischen Eigenschaften und Tumorausbreitung besser zu korrelieren, ebenso wie die Wirkweise von Chemotherapeutika und deren Ausbreitung in der Matrix zu erforschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen