Validierung einer Mikrofluidik-basierten personalisierten Krebstherapie in Mausmodellen

• Antragsteller: Professor Dr. Thorsten Cramer; Professor Dr. Christoph A. Merten; Professor Dr.-Ing. Julio Saez-Rodriguez
• Fachliche Zuordnung: Gastroenterologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Hämatologie, Onkologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411368829

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Karzinome des Hepato-Pankreatiko-Biliären (HPB) Traktes sind durch eine sehr schlechte Prognose gekennzeichnet. Neben später Diagnosestellung aufgrund des Fehlens einer spezifischen Symptomatik ist hierfür vor allem die ausgeprägte Therapieresistenz von HPB-Karzinomen verantwortlich. Der technische Fortschritt der letzten Jahre hat zwar zu einer deutlichen Verbesserung des molekularen Verständnisses der Pathogenese von Krebserkrankungen geführt, leider konnte die Prognose von Patienten mit HPB-Karzinomen durch die neuen Erkenntnisse jedoch bislang nicht entscheidend verbessert werden. Prinzipiell kann die Behandlung von Krebspatienten durch Individualisierung der Therapie deutlich verbessert werden. Dabei sind bislang vorwiegend Erkenntnisse, die aus genetischen Analysen gewonnen wurden, in die klinische Anwendung gelangt (z.B. in der Therapie von Leukämien, Mamma- und Kolonkarzinomen). Große Hoffnungen ruhen auf phänotypischen Analysen, mit denen die Sensitivität von Tumorzellen einzelner Patienten auf antiproliferative Substanzen (und entsprechende Kombinationen) bestimmt und somit eine personalisierte Vorhersage der Chemotherapie-Effizienz gemacht werden kann. Unsere Arbeitsgruppen konnten im Rahmen der Vorarbeiten zeigen, dass die Therapiesensitivität von etablierten humanen Zelllinien und Biopsien von humanen Pankreaskarzinomen mit einer Mikrofluidik-Plattform (MFP) bestimmt werden kann. Wir konnten z.B. zeigen, dass die Kombination von PHT-427 (dualer Akt- und PDK1-Inhibitor) und Selumetinib (MEK-1/-2-Inhibitor) hocheffizient ist, wobei eine Hemmung von zwei voneinander unabhängigen Signalwegen unterhalb von KRAS zugrunde liegt. Die antiproliferative Effektivität dieser Kombination im Pankreaskarzinom war zuvor unbekannt, wodurch das Potenzial unserer MFP für die Identifikation innovativer Kombinationstherapien verdeutlicht wird. Das geförderte Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, mit Hilfe von murinen Modellen des Hepatozellulären Karzinoms (HCC) MFP-basierte Therapievorhersagen funktionell zu validieren. Dabei sollten drei Ziele erreicht werden: 1.) Analyse der Therapiesensitivität von drei unterschiedlichen murinen HCC Modellen mittels MFP, 2.) Etablierung von Maus-spezifischen mathematischen Signaltransduktions-Modellen basierend auf den MFP-Daten und 3.) funktionelle Testung ausgewählter MFP-Prädiktionen in vivo mittels spezifischer Inhibitoren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A microfluidic Braille valve platform for on-demand production, combinatorial screening and sorting of chemically distinct droplets. Nature Protocols, 17(12), 2920-2965.
  Utharala, Ramesh; Grab, Anna; Vafaizadeh, Vida; Peschke, Nicolas; Ballinger, Martine; Turei, Denes; Tuechler, Nadine; Ma, Wenwei; Ivanova, Olga; Ortiz, Alejandro Gil; Saez-Rodriguez, Julio & Merten, Christoph A.
  
• Combi-seq for multiplexed transcriptome-based profiling of drug combinations using deterministic barcoding in single-cell droplets. Nature Communications, 13(1).
  Mathur, L.; Szalai, B.; Du, N. H.; Utharala, R.; Ballinger, M.; Landry, J. J. M.; Ryckelynck, M.; Benes, V.; Saez-Rodriguez, J. & Merten, C. A.
  
• Integrating knowledge and omics to decipher mechanisms via large‐scale models of signaling networks. Molecular Systems Biology, 18(7).
  Garrido‐Rodriguez, Martin; Zirngibl, Katharina; Ivanova, Olga; Lobentanzer, Sebastian & Saez‐Rodriguez, Julio
  
• Design and construction of a microfluidics workstation for high-throughput multi-wavelength fluorescence and transmittance activated droplet analysis and sorting. Nature Protocols, 18(4), 1090-1136.
  Panwar, Jatin; Autour, Alexis & Merten, Christoph A.
  
• Fluorescence crosstalk reduction by modulated excitation-synchronous acquisition for multispectral analysis in high-throughput droplet microfluidics. Lab on a Chip, 23(11), 2514-2520.
  Panwar, Jatin & Merten, Christoph A.
  
• iSort enables automated complex microfluidic droplet sorting in an effort to democratize technology. Cell Reports Methods, 3(5), 100478.
  Panwar, Jatin; Utharala, Ramesh; Fennelly, Laura; Frenzel, Daniel & Merten, Christoph A.
  
• NetworkCommons: bridging data, knowledge, and methods to build and evaluate context-specific biological networks. Bioinformatics, 41(2).
  Paton, Victor; Türei, Denes; Ivanova, Olga; Müller-Dott, Sophia; Rodriguez-Mier, Pablo; Venafra, Veronica; Perfetto, Livia; Garrido-Rodriguez, Martin & Saez-Rodriguez, Julio