3D-bioprinting kan ons begrip van medicijnrespons bij kankerpatiënten vergroten

Bioprinting biedt tal van voordelen die onderzoekers blijven verkennen. Het maakt gebruik van een combinatie van levende cellen, bio‑inkten en 3D‑printmethoden om complexe structuren zoals organen of huidweefsel te creëren die kunnen worden geïncubeerd en gebruikt voor testdoeleinden. Nu wil een team van ingenieurs van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) deze technologie benutten om de monitoring van medicijnrespons bij kankerpatiënten te verbeteren. Dit is wat u moet weten.

BioPrinten

Bioprinting is de culminatie van technologische en medische doorbraken van de afgelopen eeuw. Naarmate medische onderzoekers meer leerden over celstructuur en de eerste in laboratorium gekweekte implantaten verschenen, begon bioprinting vorm te krijgen. Tegenwoordig integreert bioprinting AI‑onderzoek en geavanceerde printmethoden met als doel op een dag botten, vasculair netwerken, oren, exoskeletten, bloedvaten, weefsels en organen te kunnen printen.
Bioprinters spelen een cruciale rol bij het maken van monsters. Deze monsters stellen medische onderzoekers in staat om in realtime tests uit te voeren op levende cellen. Ze kunnen snel en in grote hoeveelheden worden geproduceerd, waardoor grootschalige tests van behandelingen en medicijnen mogelijk zijn. Het is deze eigenschap die ingenieurs ertoe bracht deze apparaten te gebruiken om gepersonaliseerde kankertestmonsters van patiënten te creëren.

Huidige methoden voor het testen van medicijnrespons bij patiënten

Om veiligheid te waarborgen moeten medicijnfabrikanten verschillende proeven en tests op hun producten uitvoeren. Er zijn twee gangbare manieren om dit te doen: genpanel‑gebaseerde tests en patient‑afgeleide xenograft‑testen. Deze systemen maken gebruik van tumorheterogeniteit als onderdeel van hun aanpak.

Tumorheterogeniteit

De meeste kankerbehandelingsprocedures steunen op tumorheterogeniteit om hun effecten beter te begrijpen. Deze term verwijst naar de cellulaire samenstelling van de tumor. Niet elke cel is hetzelfde, wat betekent dat onderzoekers alle cellen moeten begrijpen om ervoor te zorgen dat de behandeling het meest effectief is in het doden van de tumor.

Genpanel‑gebaseerde tests

Genpanel‑gebaseerde tests onderzoeken tegelijkertijd verschillende genen om mutaties te vinden. Deze test stelt onderzoekers in staat om genetische mutaties te identificeren die kunnen aangeven of een behandeling waarschijnlijk effectief is voor een specifieke patiënt.

Patient‑afgeleide Xenograft (PDX)

Patient‑afgeleide xenografts verwijzen naar een methode waarbij tumorcellen op muizen worden getransplanteerd. Deze aanpak creëert een gunstige omgeving voor de tumor om te groeien, waardoor onderzoekers de effecten van hun behandelingen kunnen testen en bestuderen. Opmerkelijk is dat er nu duizenden PDX‑modellen in gebruik zijn, waardoor dit een van de effectievere methoden van vandaag is.

Nadelen

De huidige methoden voor het testen van de effectiviteit van behandelingen hebben verschillende nadelen. Ten eerste vergen ze beide veel tijd. In het geval van PDX kan het tot 8 maanden duren om behandelingen te kweken en te testen. Bovendien variëren de engraftmentpercentages van 25% tot 75%.
Bij genpanel‑gebaseerde tests zijn er extra risico’s, zoals de kans op het verzamelen van onvolledige of ongewenste genetische informatie. Ten slotte zijn beide methoden duur om uit te voeren.

Bioprinting‑onderzoek naar medicijnrespons

De studie “Voorspelling van patiëntmedicijnrespons via 3D-bioprintmodel van maagkanker met gebruik van patiënt‑afgeleide, weefselbeladen, weefsel‑specifieke bio‑ink”¹ gepubliceerd in het internationale tijdschrift Advanced Science benadrukt het gebruik van een 3D‑geprint maagkankermodel dat de effectiviteit van chemotherapie kan voorspellen via ex‑vivo culturen afkomstig van kankerpatiënten. Opmerkelijk is dat de nieuwe patiënt‑specifieke preklinische modellen kunnen worden gebruikt om de medicijnrespons van een patiënt nauwkeurig te voorspellen in een veel kortere tijd dan eerdere methoden.

Maagkanker (GC)

De onderzoekers kozen ervoor hun model te testen op maagkankercellen. Maagkanker behoort tot de top 10 doodsoorzaken, waardoor het het ideale testobject voor de studie is. Ze begonnen met het bioprinten van weefsel‑specifieke bio‑inkten die patiënt‑afgeleide tumorfragmenten bevatten.

Bron – POSTECH (Pohang University of Science and Technology)

Vervolgens werd de print ondergedompeld in een maag‑afgeleide decellulariseerde extracellulaire matrix (dECM) hydrogel. Deze strategie stelde de ingenieurs in staat om de cel‑stroma‑ en cel‑matrixinteracties van kankercellen in het lichaam te repliceren, waarbij de histopathologie, intercellulaire communicatie en celcomposities behouden bleven.

Het extrusie‑gebaseerde 3D‑bioprintingsysteem gebruikte een geprint maagkankermodel (pGC) om honderden geprinte GC (pGC) monsters te produceren. Opmerkelijk is dat dit een printer met lage druk en temperatuur is. Dit systeem helpt schade aan de cellen tijdens het printproces te voorkomen.

Bioprinting‑test voor medicijnrespons

Het onderzoeksteam testte hun patiënt‑afgeleide kankertissue‑fragmenten als onderdeel van hun R&D. De gekweekte monsters werden gemonitord om te zien of ze de groei en expansie van de tumor ondersteunden, zoals in het lichaam. Hun testresultaten toonden veelbelovende gegevens.

Resultaten van de bioprinting‑test voor medicijnrespons

Wetenschappers ontdekten dat door de in‑vivo tumor‑micro‑omgeving in‑vitro te recreëren, ze geneesmiddelen en behandelingen zoals chemotherapie konden testen op gepersonaliseerde monsters. Deze aanpak stelde het team in staat om belangrijke details van de behandelingsrespons te volgen, zoals de genprofielen van het model die gerelateerd zijn aan kankergroei, progressie en medicijnrespons.
Wat de prestaties betreft, leverde het nieuwe testproces nauwkeurigere en snellere resultaten dan beide traditionele methoden die vandaag worden gebruikt. Bovendien ontdekten ze dat het nieuwe testmonster de oorspronkelijke kenmerken van de tumor behield, waardoor het team snelle medicijnevaluaties kon uitvoeren wanneer dat nodig was.

Voordeel van bioprinting‑medicijnrespons

De ingenieurs creëerden een ideale testomgeving voor behandelingen door met succes de interacties tussen kankercellen en stroma na te bootsen. De nieuwe aanpak biedt meer nauwkeurigheid en vereist minder tijd om resultaten te leveren. Bovendien vraagt het minder constructietijd en kan het in‑vitro worden opgeschaald.
Bioprinting ondersteunt het maken van honderden monsterreplicaten, waardoor grootschalige tests van nieuwe behandelingen over een breed scala aan parameters mogelijk zijn. Deze replicaten kunnen worden aangepast door de printparameters te wijzigen, zoals de materialen, nozzle‑grootte, druk en snelheid.

Behandelingsefficiëntie

Deze nieuwste bioprinting‑gegevens over de respons op kankerbehandelingen benadrukken hoe deze technologie zal bijdragen aan een verbeterde behandelingsefficiëntie. Medicijnfabrikanten en zorgprofessionals krijgen een voordeel doordat ze de resultaten van hun behandeling sneller kunnen zien, waardoor ze sneller aanpassingen en verbeteringen kunnen doorvoeren en hun vermogen om nauwkeurige therapeutische voorspellingen te doen wordt versterkt.

Gepersonaliseerde behandeling

Deze studie toonde aan hoe deze methode de unieke kenmerken van maagweefsel van individuele patiënten kan behouden, waardoor zorgprofessionals hun behandelingsbehoeften kunnen afstemmen. Door de effectiviteit van behandelingen te monitoren, kunnen zorgprofessionals beter bepalen of een medicijn werkt en wat de minimale dosis is die nodig is om het gewenste effect te bereiken.

Minder bijwerkingen

Bioprinting‑kankertests stellen onderzoekers in staat om effectievere behandelingen te ontwikkelen die minder bijwerkingen veroorzaken. Aangezien het monster het weefsel van de patiënt gebruikt om een werkend model te creëren, zijn de ingenieurs volledig op de hoogte van hoe elk medicijn met het lichaam zal interageren.

Bioprinting‑onderzoekers naar medicijnrespons

De bioprinting‑studie naar kanker‑medicijnrespons werd geleid door POSTECH met bijdragen van professor Charles Lee van The Jackson Laboratory for Genomic Medicine. Het project werd gefinancierd door een subsidie van de National Research Foundation of Korea, het Basic Science Research Program via de National Research Foundation of Korea, en het Ministerie van Onderwijs.

BioPrinting‑innovators

De gezondheidszorgindustrie zou als gevolg van deze studie enkele grote marktbewegingen kunnen zien. Kankerbehandeling is een enorme sector die voorspeld wordt $335 miljard te bereiken tegen 2029. Aan deze vraag zal worden voldaan door innovatieve bedrijven die baanbrekende oplossingen bieden voor een van de grootste problemen van de mensheid. Hier is een bedrijf dat perfect gepositioneerd is om de gegevens van de bioprinting‑medicijnresponsstudie te benutten.

Organovo

Organovo (ONVO ) betrad de markt in 2007 om medische onderzoekers directe toegang te bieden tot 3D-geprint weefsel voor testen en onderzoek. Het is gevestigd in San Diego, CA, en was de eerste die driedimensionale weefseltechnologie introduceerde die functioneerde over alle weefseltypen. Hoewel het niet direct bij de studie betrokken is, zou dergelijk onderzoek kunnen bijdragen aan een groeiende interesse in bioprinting‑toepassingen.