Klinik und Poliklinik für Thorax-, Herz- u. Thorakale Gefäßchirurgie
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Development of predictable in vitro tumor models is a challenging task due to the enormous complexity of tumors in vivo. The closer the resemblance of these models to human tumor characteristics, the more suitable they are for drug-development and –testing. In the present study, we generated a complex 3D lung tumor test system based on acellular rat lungs. A decellularization protocol was established preserving the architecture, important ECM components and the basement membrane of the lung. Human lung tumor cells cultured on the scaffold formed cluster and exhibited an up-regulation of the carcinoma-associated marker mucin1 as well as a reduced proliferation rate compared to respective 2D culture. Additionally, employing functional imaging with 2-deoxy-2-[\(^{18}\)F]fluoro-D-glucose positron emission tomography (FDG-PET) these tumor cell cluster could be detected and tracked over time. This approach allowed monitoring of a targeted tyrosine kinase inhibitor treatment in the in vitro lung tumor model non-destructively. Surprisingly, FDG-PET assessment of single tumor cell cluster on the same scaffold exhibited differences in their response to therapy, indicating heterogeneity in the lung tumor model. In conclusion, our complex lung tumor test system features important characteristics of tumors and its microenvironment and allows monitoring of tumor growth and -metabolism in combination with functional imaging. In longitudinal studies, new therapeutic approaches and their long-term effects can be evaluated to adapt treatment regimes in future.
Der myokardiale Ischämie-Reperfusions-Schaden (IR) hat eine hohe Relevanz in der Kardiologie und Herzchirurgie. Trotz intensiver Forschung ist es bislang nicht gelungen, eine
effektive Therapie des IR in den klinischen Alltag zu implementieren.
Mitochondrien spielen im IR eine wichtige Rolle. Die Raman-Spektroskopie mit Laserquellen von 785 nm Wellenlänge erlaubt die nicht-invasive Analyse pathophysiologischer Prozesse in vitro in Echtzeit. Daher eignet sich die Raman-spektroskopische Analyse von Mitochondrien möglicherweise dazu, notwendige neue Einblicke in die Pathophysiologie des myokardialen IR zu gewinnen.
Die vorliegende Arbeit analysierte die mitochondriale Funktion von subsarkolemmalen Mitochondrien im IR mit Hilfe bekannter Methoden. Anschließend erfolgte ein Vergleich der etablierten Methode „Clark-Elektrode“ mit der neu etablierten Raman-Spektroskopie zur Analyse der mitochondrialen Funktion im IR.
Als die häufigste tödliche Tumorerkrankung weltweit ist das Lungenkarzinom mit einer sehr schlechten Prognose verbunden. Eine Behandlungsoption für Lungenadenokarzinome, die eine aktivierende EGFR-Mutation aufweisen, ist der orale EGFR-TKI Gefitinib (Iressa®, ZD1839). Die Resistenzentwicklung von Tumoren gegen diese Therapie stellt ein großes klinisches Problem dar.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die Dosis-Wirkungs-Beziehung von Gefitinib, sowie die Entwicklung von Resistenzen in einem etablierten humanen 3D Lungentumormodell zu untersuchen und dieses Testsystem für eben diese Fragestellungen zu validieren.
Vorliegende Arbeit bestätigt, dass pharmakologische Untersuchungen in Zellkulturen häufig zu einer Überschätzung des Behandlungserfolges führen. Das verwendete Modell entspricht mehr den in vivo Bedingungen. In dieser Arbeit wurden zwei ATP-Zellvitalitätsassays für die statischen 3D Lungentumormodelle etabliert und erfolgreich angewendet. Dabei zeigte sich eine konzentrationsabhängige Wirkung von Gefitinib auf das Wachstum, die Proliferation, die Apoptose, die Markerexpression sowie die Signalwegsaktivierungen. Im statischen 3D Lungentumormodell lag der IC50-Wert zwischen 0,05-0,1 µM Gefitinib welches den Werten aus klinischen Beobachtungen entspricht. Auch der in der Klinik bereits nach wenigen Stunden eintretende zeitliche Effekt von Gefitinib konnte in unserem Modell bestätigt werden. Eine dynamische Kultivierung der Lungentumorzellen, mit von Scherkräften verursachtem schnellerem Zellwachstum, führte zu einer weiteren Annährung an die klinischen Gegebenheiten. Das Netzwerk der Gefitinib-Wirkung auf die EGFR-Signalkaskade wurde in unserem Modell charakterisiert.
Die Betrachtung einer resistenten Zell-Subpopulation zeigte einen Resistenzmechanismus über eine Epitheliale-Mesenchymale-Transition. Zusätzlich wurde versucht, eine neue medikamenten-resistente Zell-Subpopulation zu generieren.
Das beschriebene 3D Lungentumormodell ermöglicht richtungsweisende Untersuchungen zu Dosis-Wirkungs-Beziehung von Gefitinib. Ansätze für eine weitere Optimierung des Modells wurden herausgearbeitet.
Despite medical achievements, the number of patients with end-stage kidney disease keeps steadily raising, thereby entailing a high number of surgical and interventional procedures to establish and maintain arteriovenous vascular access for hemodialysis. Due to vascular disease, aneurysms or infection, the preferred access—an autogenous arteriovenous fistula—is not always available and appropriate. Moreover, when replacing small diameter blood vessels, synthetic vascular grafts possess well-known disadvantages. A continuous multilayered gradient electrospinning was used to produce vascular grafts made of collagen type I nanofibers on luminal and adventitial graft side, and poly-ɛ-caprolactone as medial layer. Therefore, a custom-made electrospinner with robust environmental control was developed. The morphology of electrospun grafts was characterized by scanning electron microscopy and measurement of mechanical properties. Human microvascular endothelial cells were cultured in the graft under static culture conditions and compared to cultures obtained from dynamic continuous flow bioreactors. Immunofluorescent analysis showed that endothelial cells form a continuous luminal layer and functional characteristics were confirmed by uptake of acetylated low-density-lipoprotein. Incorporation of vancomycin and gentamicin to the medial graft layer allowed antimicrobial inhibition without exhibiting an adverse impact on cell viability. Most striking a physiological hemocompatibility was achieved for the multilayered grafts.