Im Rahmen eines interdisziplinären Kollaborationsprojektes arbeiten die Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Transplantationschirurgie der Uniklinik RWTH Aachen, das Joint Research Center for Computational Biomedicine der Uniklinik RWTH Aachen, in Zusammenarbeit mit dem European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Heidelberg, an der Anwendung einer innovativen microfluidischen Methodik für die personalisierte Krebsmedizin. Das erste Manuskript dieser Kollaboration unter dem Titel „A microfluidics platform for combinatorial drug screening on cancer biopsies“ wird nun in Nature Communications, eine der bekanntesten, multidisziplinären Fachzeitschriften, publiziert.
Die Therapie von Krebserkrankungen bleibt trotz deutlicher Fortschritte durch interdisziplinäre Therapieplanung und neu entwickelte Medikamente (z.B. molekular-zielgerichtete Substanzen und Immuntherapien) eine große Herausforderung. Insbesondere für bösartige Tumore des sogenannten Hepato-Pankreatiko-Biliären (HPB)-Traktes (Leber, Gallenwege und Pankreas) ist eine Heilung nur möglich, wenn der Tumor früh entdeckt wird und chirurgisch entfernt werden kann. Die Mehrzahl der HPB-Karzinome wird in fortgeschrittenen Stadien diagnostiziert, sodass eine Tumorentfernung mit dem Ziel einer Heilung des Patienten nicht mehr möglich ist. In diesen Fällen wird der Patient vorrangig mit Chemotherapie behandelt, die allerdings das Überleben in den meisten Fällen nur um wenige Monate verlängern kann. Vor diesem Hintergrund gibt es einen dringenden Bedarf, die Therapie von HPB-Karzinomen zu verbessern.
Eine Möglichkeit hierzu bietet die sogenannte „Personalisierte Medizin“, das meint die Verabreichung einer Therapie, die auf die Besonderheiten des jeweiligen Patienten bzw. des Tumors abgestimmt ist. Die Charakterisierung von Krebs-spezifischen Veränderungen der DNA (des Genoms), der RNA oder der Eiweiße (Proteine) hat im letzten Jahrzehnt zu einer massiven Zunahme des Wissens über Krebserkrankungen geführt. Die Kenntnis bestimmter Mutationen wirkt sich schon heute auf die Therapieplanung bestimmter bösartiger Tumore aus, z.B. bei Leukämien, Lymphomen und dem Haut- oder Dickdarmkrebs. Von vielen Mutationen und anderen strukturellen Veränderungen der Krebszelle, die mit modernen „omics“-Verfahren entdeckt werden können, ist aber letztlich nicht klar, ob und wie sie sich auf das Verhalten des Tumors auswirken und ob sie eine Relevanz für die Therapie besitzen.
Medizinisch relevant und hochinnovativ
Die Uniklinik RWTH Aachen hat daher einen alternativen Weg gewählt, um die Krebstherapie personalisieren zu können: Die Kollaboration basiert auf der Zusammenarbeit von Ingenieuren (Dr. Christoph Merten, Leiter European Molecular Biology Laboratory Heidelberg), Bioinformatikern (Univ.-Prof. Dr. ing. Julio Saez-Rodriguez, Leiter Joint Research Centre for Computational Biomedicine Uniklinik RWTH Aachen und Heidelberg) und Klinikern (Univ.-Prof. Dr. med. Thorsten Cramer, Leiter Forschungsbereich „Molekulare Tumorbiologie“ an der Uniklinik RWTH Aachen und Univ.-Prof. Dr. med. Ulf P. Neumann, Direktor der Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Transplantationschirurgie der Uniklinik RWTH Aachen).
Tumormaterial von Patienten mit Pankreaskarzinom wurde in der Arbeitsgemeinschaft von Dr. Merten in einem dort entwickelten mikrofluidischen System mit unterschiedlichen Chemotherapeutika stimuliert. Das Team um Prof. Saez-Rodriguez hat die Ergebnisse im Anschluss mathematisch modelliert und so die Aktivität bekannter, tumorfördernder Signalwege in den einzelnen Tumorproben charakterisiert. Diese Analysen zeigten ausgeprägte Unterschiede zwischen den einzelnen Patienten, wodurch unterstrichen wird, dass Tumore eine individuelle Signatur von tumorfördernden Signalwegen besitzen. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass pharmakologische Hemmstoffe dieser Signalwege einen therapeutischen Effekt haben können und dass die Verabreichung dieser Medikamente insbesondere nach vorheriger Testung des Ansprechens sinnvoll ist. Vor diesem Hintergrund könnte die entwickelte mikrofluidische Analyse zukünftig einen besonderen Stellenwert im Rahmen einer personalisierten Krebsmedizin haben.
Pressemitteilung des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Heidelberg
Miniaturised testing of drug combinations on tumour biopsies
Combinations of cancer drugs can be quickly and cheaply tested on tumour cells using a novel device developed by EMBL scientists. The research, reported in Nature Communications on June 22, marks the latest advancement in the field of personalised medicine.
Using a microfluidic device that fits in the palm of your hand (see explainer box), scientists screened over 1100 treatment conditions (56 drug combinations x 20 replicates) on patient tumour cells. In the future, such tests could be used to inform clinicians on safe and effective combinations of cancer treatments. The research was led by EMBL group leader Christoph Merten and Julio Saez-Rodriguez, former group leader at EMBL-EBI and now Professor at Heidelberg University, in collaboration with Thorsten Cramer and Ulf Neumann from the Aachen University Hospital.
Small biopsies, many drugs
Directly testing multiple cancer drugs on biopsies – parts of the tumour which have been taken from a patient – is a powerful way to discover which drugs work best, and for whom. This is because depending on the specific tumour characteristics, cancer therapies can be more effective in some people than others. However, large-scale patient specific drug screenings have so far been limited by the small biopsy size. That is why in the current paper, the team developed a miniaturised device which can test more drugs on the limited number of cells than can be obtained from patients.
Tailored therapies
The research team initially tested 56 drug combinations on two different human cancer cell types grown in the lab. Drug combinations which killed both types of cancer cells were thought to be potentially toxic and thus unsafe for further testing. However, some drug combinations which targeted and killed only one type of cancer cell were found to be more effective than standard clinical therapies which only use one drug. These results were highly reproducible and could even be validated in mouse models of human cancer.
Subsequently, cells from four cancer patient biopsies were applied to the microfluidic device and different drug combinations were tested. „We found that each individual cancer responded best to a different combination of drugs, highlighting the urgent need for patient specific therapies.“ says Federica Eduati, joint first author on the paper alongside Ramesh Utharala who designed and developed the microfluidic device.
„Before we transfer this technology into the clinics, we need to repeat these experiments in larger scale mouse studies to understand which types of cancer this technology works best in,“ says Christoph Merten. „Still, this is an exciting ‘proof of principle’ collaboration between scientists and clinicians, and we have shown that these tests can be run quickly at assay costs of less than 150 US$ per patient.“
Explainer box: Microfluidic devices
Microfluidic devices are plastic or glass ‘chips’ with microscopic wells and channels lithographically generated within them. The current device relies on tiny programmable valves – usually used to print Braille – to open and close these channels in a highly controlled way. This means that tiny volumes of cells can be carefully pumped through the network of channels and be exposed to different drugs. Because of the small scale, hundreds of specific cell and drug mixtures can be combined in water droplets surrounded by oil and then sequentially ejected into long, thin plastic tubes, ready for analysis under the microscope.
