Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben eine innovative Lab-on-a-Chip-Plattform entwickelt, mit der sich die Interaktionen zwischen Immun- und Krebszellen auf Einzelzellebene verfolgen lassen. Die als CellTrap bezeichnete Technologie ermöglicht es, genau zu beobachten, wie und wann Immunzellen Tumorzellen erkennen, angreifen und zerstören. Den Forschern zufolge könnte dies dazu beitragen, Immuntherapien besser zu verstehen und die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien gegen Krebs voranzutreiben.
Die Immuntherapie hat die Behandlung verschiedener Krebsarten in den vergangenen Jahren grundlegend verändert. Dennoch ist bislang nicht vollständig geklärt, warum manche Patienten gut auf diese Therapien ansprechen, während sie bei anderen kaum Wirkung zeigen. Die CellTrap-Technologie wurde ausführlich im wissenschaftlichen Fachjournal RSC Advances beschrieben.
Individuelle Zellinteraktionen sichtbar machen
Herkömmliche Labortests liefern in der Regel Durchschnittswerte für große Zellpopulationen. Sie können beispielsweise zeigen, wie viele Tumorzellen eine Behandlung überleben, geben jedoch nur begrenzt Aufschluss über die Prozesse zwischen einzelnen Immun- und Krebszellen. Gerade diese individuellen Interaktionen sind entscheidend, um die Wirksamkeit von Immuntherapien besser zu verstehen.
Dabei kann insbesondere der zeitliche Ablauf eine wichtige Rolle spielen: vom ersten Kontakt einer Immunzelle mit einer Tumorzelle über die Aktivierung der Immunzelle bis hin zur Schädigung oder Zerstörung der Krebszelle.
CellTrap besteht aus einem mikrofluidischen Chip mit einem Hauptkanal, der sich in zahlreiche kleinere Kanäle und Auffangkammern verzweigt. Insgesamt verfügt der Chip über 1.024 einzelne „Fallen“, in denen Zellen kontrolliert festgehalten werden können. In diesen Mikrokammern lassen sich Immun- und Krebszellen in unterschiedlichen Verhältnissen zusammenbringen. Anschließend können ihre Interaktionen mithilfe von Zeitraffer-Fluoreszenzmikroskopie über einen Zeitraum von bis zu 14 Stunden verfolgt werden.
So entsteht ein detailliertes Bild verschiedener Zellkonstellationen – von einzelnen Krebszellen bis hin zu Kombinationen mit einer oder mehreren Immunzellen. Das System zeigt nicht nur, ob eine Tumorzelle zerstört wird, sondern auch, wann dies geschieht und welche zellulären Signale diesem Prozess vorausgehen.
Ein weiterer Vorteil der Plattform ist ihre vergleichsweise einfache Handhabung. CellTrap ist für einen instrumentenfreien Betrieb ausgelegt und kann ohne aufwendige zusätzliche Pumpensysteme eingesetzt werden. Dadurch könnte die Technologie für Forschungseinrichtungen leichter zugänglich sein.
Neue Einblicke in Immunreaktionen
In ersten Proof-of-Concept-Experimenten untersuchten die Forscher unter anderem U87-Glioblastomzellen. Dabei zeigte sich, dass höhere Verhältnisse von Immun- zu Tumorzellen mit einer stärkeren immunvermittelten Zerstörung der Zielzellen verbunden waren.
Zudem konnten die Wissenschaftler frühe Veränderungen des intrazellulären Kalziumspiegels in den Immunzellen mit späteren zytotoxischen Effekten in Verbindung bringen. Dadurch lässt sich innerhalb derselben Zellinteraktion verfolgen, wie frühe Aktivierungssignale mit der späteren Schädigung oder Zerstörung einer Krebszelle zusammenhängen.
Neben Glioblastomzellen wurde die Plattform auch mit K562-Leukämiezellen und LS174T-Adenokarzinomzellen getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass CellTrap unterschiedliche Immun-Krebszell-Interaktionen über längere Zeiträume auf Einzelzellebene erfassen kann.
Potenzial für personalisierte Immuntherapien
Die Technologie ist nicht ausschließlich auf die Untersuchung von Immun- und Krebszellen beschränkt. Grundsätzlich können mit dem System unterschiedliche Zelltypen und deren Interaktionen untersucht werden. Damit eröffnet die Plattform auch Perspektiven für andere Forschungsbereiche, in denen die Kommunikation zwischen einzelnen Zellen eine wichtige Rolle spielt.
Mit CellTrap verfügen die Forscher der TUM über ein neues Werkzeug, um komplexe Zellinteraktionen sichtbar und quantitativ analysierbar zu machen. Künftig könnte die Plattform auch für Untersuchungen mit patienteneigenen Zellen angepasst werden. Damit könnte sie einen Beitrag zur Entwicklung personalisierter Immuntherapien und zum besseren Verständnis der Mechanismen hinter der Immunantwort auf Tumoren leisten.
KI soll Ansprechen auf Immuntherapie besser vorhersagen
Auch künstliche Intelligenz wird zunehmend eingesetzt, um Immuntherapien gezielter auf einzelne Patienten abzustimmen. In einer zuvor von ICT&health beschriebenen studie untersucht Justine Cuperus vom HagaZiekenhuis, wie sich mithilfe von KI vorhersagen lässt, welche Patienten mit metastasiertem nicht-kleinzelligem Lungenkrebs von einer Immuntherapie profitieren und bei welchen Patienten ein erhöhtes Risiko für schwere Nebenwirkungen besteht.
Dafür werden zwei KI-basierte Vorhersagemodelle entwickelt: eines zur Prognose der Wirksamkeit der Behandlung und eines zur Einschätzung des Risikos von Nebenwirkungen. Für die Studie stehen Daten von 2.400 Patienten aus fünf niederländischen Krankenhäusern zur Verfügung. Neben Merkmalen wie Alter, Gewicht und Rauchhistorie werden unter anderem Tumoreigenschaften, Metastasen, Medikamenteneinnahme und Begleiterkrankungen berücksichtigt.
Die Modelle sollen Ärzte und Patienten dabei unterstützen, fundiertere Behandlungsentscheidungen zu treffen. Immuntherapien haben die Behandlungsmöglichkeiten bei Lungenkrebs deutlich erweitert, wirken jedoch nicht bei allen Patienten und können schwere Nebenwirkungen verursachen. Eine bessere Vorhersage des individuellen Therapieerfolgs könnte deshalb dazu beitragen, Behandlungen gezielter, sicherer und effizienter einzusetzen.
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