Individualisierung der Krebstherapie durch Wirkstofftestung im Sphäroid-Mikrotumormodell

Technical Showcase des Münchner Spitzenclusters m⁴ - Personalisierte Medizin und zielgerichtete Therapien

In der Krebsbehandlung wird häufig eine medikamentöse Therapie eingesetzt. Die Wirksamkeit dieser Therapie variiert zwischen individuellen Patienten allerdings sehr stark. Im Durchschnitt profitiert nur einer von fünf Patienten von der Behandlung, da Krebserkrankungen sehr unterschiedliche Ursachen und Eigenschaften haben können. Für die Ansprechrate sind die krebsverursachenden Mutationen im Erbgut des Patienten sowie Resistenzen des Tumors ausschlaggebend. Da eine Chemotherapie in der Regel mit schweren Nebenwirkungen verbunden ist und ein Zeitverlust, bevor eine wirksame Behandlung begonnen wird, sich negativ auf die Überlebenszeit des Patienten auswirkt, ist es keine Option, die verschiedenen zugelassenen Chemotherapien "auszuprobieren". Es besteht daher ein hoher medizinischer Bedarf, schon vor der Medikamentengabe zu ermitteln, welches Therapeutikum beim individuellen Patienten die voraussichtlich beste Wirkung zeigt. Derzeit werden bei der Therapieentscheidung schon vereinzelt Biomarker für die Auswahl molekularer Wirkstoffe berücksichtigt. Dieses Vorgehen erlaubt jedoch keine umfassende Analyse und Vorhersage für den spezifischen Patienten.

Das hier vorgestellte Projekt aus dem Spitzencluster m⁴ - Personalisierte Medizin und zielgerichtete Therapien in München hat das Ziel, zunächst bei gynäkologischen und gastrointestinalen Tumoren die optimal wirksame medikamentöse Therapie für den individuellen Patienten vor Behandlungsbeginn zu identifizieren.

Projektziel: Individualisierung der Krebstherapie

Für die Individualisierung der Krebstherapie wird im Verbundprojekt der Firma SpheroTec GmbH, des Klinikums der Universität München und des Klinikums rechts der Isar eine Technologieplattform etabliert, die ein umfassendes proteinchemisch-genetisches Biomarkerprofil mit der funktionellen Wirkstofftestung im Sphäroid-Mikrotumor-Modell kombiniert. Die zentrale Innovation ist die Sphäroid-Mikrotumor-Technologie, die eine Testung und Wirksamkeitsabschätzung der verschiedenen Krebsmedikamente ex vivo an den individuellen Krebszellen des Patienten erlaubt. Dem Patienten wird dazu eine Gewebeprobe des Tumors entnommen. Durch ein spezielles Verfahren werden die Krebszellen zur Bildung drei-dimensionaler (3D) Zellverbünde, sogenannter Sphäroide, stimuliert. Die Sphäroide dienen als realitätsnahes Modell für den Tumor dieses Patienten mit seinen charakteristischen tumorbiologischen Eigenschaften, an dem verschiedene Krebsmedikamente getestet werden können.

Umsetzung: Entwicklung einer Diagnostikplattform

Die Technologie-Plattform wird als Service für behandelnde Ärzte und Krankenhäuser zur Unterstützung der Therapieentscheidung entwickelt. Gerade bei ausgeprägter Resistenz des Tumors auf gängige Therapeutika und bei der Möglichkeit verschiedener leitliniengerechter Therapieoptionen kann der Test eine wichtige Hilfestellung bieten.

1) Funktionelle Testung der Therapeutika

Die aus dem Krebsgewebe des Patienten gezüchteten 3D-Mikrotumore, werden ex vivo mit den leitliniengerechten Therapieoptionen behandelt. Diese können je nach Indikation bis zu 12 verschiedene Chemotherapeutika sein. Dadurch können die effektivsten Wirkstoffe in Mono- und Kombinationstherapie ermittelt werden. Herkömmliche ex vivo Testverfahren basieren auf 2-dimensionalen Zellkulturen, die aufgrund ihrer fehlenden biologischen Wertigkeit in der Regel keine verlässlichen Vorhersagen liefern und sich daher nicht in der klinischen Routine durchgesetzt haben. Die von SpheroTec entwickelte Sphäroid-Technologie hat den Vorteil, dass sie die komplexe Struktur des Tumors nachbildet und sowohl den 3-dimensionalen Aufbau, die Tumorarchitektur, die geringe Vermehrungsrate, sowie die Stroma- und Immunzellen berücksichtigt. Die Methode wird derzeit in klinischen Studien validiert. Außerdem haben Ergebnisse bei fortgeschrittenen Tumoren gezeigt, dass sich mit dem Test die Wirksamkeit einer Behandlung vor Beginn der Therapie verlässlich abschätzen lässt.

Im Spitzenclusterprojekt konnte zunächst gezeigt werden, dass die Technologie auf weitere Indikationen ausgeweitet werden kann. Zusätzlich zu den bisher untersuchten Sphäroiden aus Kolon- und Mammakarzinomproben konnten die optimalen Zellkulturbedingungen für Biopsieproben und Operationsgewebe beim Magen- und Ovarialkarzinom ermittelt werden. Für diese Indikationen besteht aufgrund der hohen Fallzahlen und der ungünstigen Prognose ein besonderer medizinischer Bedarf. In zukünftigen Projekten soll die Technologie auch für weitere Krebserkrankungen etabliert werden.

2) Biomarkerprofil

Durch die neuen genetischen und molekularbiologischen Verfahren wuchs in den letzten Jahren die Erkenntnis, dass verschiedene Tumorentitäten, wie zum Beispiel das Mamma- und das Magenkarzinom ähnliche molekulare Veränderungen aufweisen. Daher können unterschiedliche Tumorarten mit dem gleichen Medikament behandelt werden. In der Therapieentscheidung wird es also zunehmend wichtig, nicht nur den Ort des Tumors, sondern die molekularen Mechanismen seiner Entstehung zu berücksichtigen. Aktuell basiert die Therapieauswahl auf dem Nachweis eines singulären Biomarkers. Die hohen Rückfallquoten unterstreichen jedoch, dass die Komplexität und Heterogenität eines Tumors mit dieser Strategie nicht abgebildet werden. Im Spitzenclusterprojekt werden die Tumorgewebe daher umfassend tumorbiologisch charakterisiert und die Biomarker von Magen- und Dickdarmkarzinom sowie Mamma- und Ovarialkarzinom vergleichend analysiert. Dabei werden nicht nur therapierelevante Zielmoleküle, sondern auch Resistenz- und Toxizitätsmarker berücksichtigt. Zukünftig werden zusätzlich lösliche Biomarker herangezogen, um eine detaillierte Charakterisierung der Krebserkrankung zu ermöglichen.

Stand des Spitzenclusterprojektes

Durch die hohe Bereitschaft der Patienten, mit ihrer Gewebeprobe die Krebsforschung zu unterstützen, konnten bereits mehr als 80 gynäkologische bzw. gastrointestinale Tumorproben gesammelt und charakterisiert werden. Die Bildung von Sphäroiden konnte mit einer Ausbeute von 90 % für das Mamma-, Magen-, und kolorektale Karzinom und von 83 % für das Ovarialkarzinom erreicht werden. Jede Tumorprobe wurde ex vivo mit den klinisch relevanten Standard-Chemotherapeutika und molekularen Therapeutika behandelt und proteinchemisch und molekularpathologisch charakterisiert. Der entsprechende Befundbogen wurde dem behandelnden Arzt als zusätzliche Entscheidungshilfe für die Therapieauswahl innerhalb von neun Tagen zur Verfügung gestellt.

In der zweiten Förderperiode des Projektes sollen zusätzliche Biomarker (Exosomen und lösliche Immunparameter) analysiert werden, die für das Therapiemonitoring verwendet werden können. Zudem ist geplant, neue, in der Entwicklung befindliche Therapeutika in die Testung mit Standard-Medikamenten einzubeziehen, um innovative Kombinationstherapien zu erforschen, die bei hochresistenten Tumoren eingesetzt werden können.

Bild 1: Die Ergebnisse aus der Spheroid Technologie^TM unterstützen den behandelnden Arzt bei der Therapieauswahl (Schritt 1). Erstellung eines Biomarkerprofils durch immunhistologische Untersuchungen (Schritt 2).

Umsetzung: Wirkstoffentwicklung

Die Sphäroid-Mikrotumortechnologie ist jedoch nicht nur im Rahmen der individualisierten Diagnostik für die bestmögliche Therapieauswahl einsetzbar. Darüber hinaus wird die Sphäroid-Technologie in verschiedenen Phasen der Wirkstoffentwicklung verwendet und stärkt dadurch die Infrastruktur für die Medikamentenentwicklung am Standort wesentlich.

Erstens kann die Sphäroid-Technologie zur Selektion von vielversprechenden Wirkstoffkandidaten in der frühen Entwicklungsphase herangezogen werden. Bei der Entwicklung neuer Medikamente ist eine besondere Sorgfalt bei der präklinischen Auswahl des neuen Wirkstoffes nötig, bevor die zeit- und kostenintensive klinische Entwicklung gestartet wird. Die Entwicklungskandidaten können mit der Sphäroid-Technologie auf ihre Wirksamkeit an menschlichen Tumoren ex vivo getestet werden. Durch die Verwendung eines tumorbiologisch relevanten Zellkulturmodelles kann die Zahl der ethisch umstrittenen Tierversuche verringert werden, die zudem den Nachteil haben, dass die Ergebnisse nur bedingt auf den Menschen übertragbar sind. Im Gegensatz zu vielen anderen Screening-Verfahren kann im Sphäroidmodell jede Wirkstoffklasse eingesetzt werden, also nicht nur die klassischen Chemotherapeutika, niedermolekulare Wirkstoffe und Antikörper, sondern auch Peptide, Antikaline und RNAi.

Zweitens kann das Sphäroidmodell bei bereits zugelassenen Medikamenten für die Erschließung neuer Tumorindikationen eingesetzt werden.

Drittens kann die Sphäroid-Technologie das Design von klinischen Studien zum Wirksamkeitsnachweis von neuen Therapeutika unterstützen. Moderne zielgerichtete Krebsmedikamente sind auf bestimmte Krankheitsursachen zugeschnitten, und nur bei einem speziellen Teil der Patienten wirksam. Durch Screening mit der Sphäroid-Mikrotumor-Technologie können die Patienten in Gruppen eingeteilt (stratifiziert) werden. Somit können nur die Patienten in die klinische Studie eingeschlossen werden, die am wahrscheinlichsten von der neuen Therapie profitieren, und so enorme Kosten gespart werden.

Bild 2: Die Sphäroid-Mikrotumor-Technologie kann die Wirkstoffentwicklung an verschiedenen Stellen der Wertschöpfungskette unterstützen. Mit ihr können Wirkstoffkandidaten selektiert, Patienten für klinische Studien stratifiziert und neue Tumorindikationen erschlossen werden.

Ausblick

Die Fortschritte molekularbiologischer und genetischer Analysemethoden ermöglichen ein immer tiefer gehendes Verständnis von Krankheitsursachen und -mechanismen. Es stellt sich heraus, dass Tumore von Patienten, die bislang in einer Indikation zusammengefasst wurden, in der Tat tumorbiologisch und pathophysiologisch sehr heterogen sind. Die "personalisierte Medizin" berücksichtigt diese Unterschiede und die daraus resultierenden spezifischen Bedürfnisse jedes Patienten in der Wahl der geeigneten Behandlung. Dabei ist aus ökonomischen und Gründen der Praktikabilität nicht zu erwarten, dass bis auf seltene Ausnahmen Medikamente "individualisiert" für einen einzelnen Patienten hergestellt werden, sondern vielmehr, dass aus dem Repertoire bestehender Therapien durch geeignete Diagnostikverfahren die effizientesten Wirkstoffe mit den geringsten Nebenwirkungen ausgewählt werden. Die Onkologie nimmt hierin eine Vorreiterrolle ein, da hier der dringendste Bedarf zur Verbesserung der Therapieeffizienz besteht. Doch in vielen weiteren Indikationen, z.B. bei Herzkreislauf- und Autoimmunerkrankungen wird ebenfalls an Biomarker-gestützten Therapien gearbeitet, um die Wirksamkeit der Medikamente zu verbessern.

Aus der gesundheitsökonomischen Perspektive könnten durch die Stratifizierung von Patienten Kosten für unwirksame Therapien sowie für die Behandlung von Nebenwirkungen eingespart werden. Das Konzept der personalisierten Medizin trägt somit entscheidend zu einer besseren und effizienteren Patientenversorgung bei. Im Spitzencluster m⁴ - Personalisierte Medizin und zielgerichtete Therapien werden zahlreiche weitere Technologien und Therapien entwickelt, die auf die Bedürfnisse individueller Patienten bzw. Patientengruppen zugeschnitten sind.