The drug development process, especially for anti-cancer therapies, continues to be highly inefficient. The current preclinical drug evaluation paradigm of human monolayer in vitro culture followed by small animal in vivo models results in a roughly 90% failure rate in clinical trials involving actual cancer patients. Our hypothesis then, is that there is a clear need for engineered, 3D, healthy and tumor tissue models capable of recapitulating patient physiology and disease, allowing for more accurate preclinical evaluation of anti-cancer drugs. Our hope, is that tissue engineering can provide us with valuable new insights into drug responses, over what we can currently achieve with existing models. Here, we present a new multi-tissue organs-on-a-chip microfluidic platform, Inter-Organ, designed to allow more comprehensive recapitulation of the disease seen in patients. We developed bioengineered tissues of primary and metastatic tumors across three cancer types, and integrated them into the Inter-Organ platform alongside healthy tissues like cardiac muscle known to cause failures in clinical trials for off-target drug toxicities. Overall, the development of these new cancer models and their culture in the Inter-Organ platform allowed us to more accurately predict the success of various drugs in clinical trials than existing models could. Finally, this tissue engineering approach allowed us to explore the relationships between specific constituents of the tumor microenvironment, recapitulate complex cancer processes like metastasis previously only done in small animal models, and identify new potential diagnostic and therapeutic targets.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第18643号 / 医博第3942号 / 新制||医||1006(附属図書館) / 31557 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 木村 剛, 教授 三森 経世, 教授 山下 潤 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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OBJECTIVE: To determine the effects of vitamin C and insulin on osteoblasts harvested from neonatal mouse calvaria. To determine the effects of experimental media (vitamin C and insulin and a combination) on the ex-vivo live bone organ culture model and explore the capacity of addition of osteoblasts to allow for bone formation within a critical defect. To use the chick chorioallantoic membrane (CAM) model to explore bone formation within critical bone defect. METHODS: Osteoblasts were harvested from neonatal mice were tested using four types of experimental media: control DMEM, media prepared with 150 μg/ml vitamin C, 10 nM media, or a combination of both vitamin C, insulin, and a combination of vitamin C and insulin media. Cell were cultured for 18 days at 37°C. Neutral red was done to identify cellular activity and silver nitrate to detect calcium deposits. Two types of scaffolds were inserted into the defect: collagen membrane scaffold and NuOss (xenograft) with collagen scaffold. After 30 days the samples were collected for histological analysis. Neonatal mouse calvaria were harvested and a 2mm critical defect made on each calvaria. Each calvaria received a scaffold of collagen or NuOss with or without osteoblasts with one of three experimental media within the CAM model. After 7 days, the amnion membrane of the egg was dropped and a window was made. The calvaria with the scaffold samples were placed on the amnion membrane. The eggs were incubated for 10 days then the experiment was terminated. Calvaria were collected and processed for histological evaluation. RESULTS: Neutral red and silver nitrate of 2D in-vitro cells revealed calcium deposits in culture well using vitamin C media, cell cultured with insulin media showed calcium deposits and cell morphological change, and cell cultured with a combination of vitamin C and insulin media showed the most calcium deposits and morphological changed. Ex-Vivo samples with collagen scaffold had bone thickening but not enough nutrients for bone regeneration, despite the addition of cells. The collagen scaffold is a more suitable material than xenograft due to particle size. The CAM model showed new bone formation and new vessels were most abundant in areas closest to lining cells in collagen samples. Samples with additional osteoblasts added showed greater results. NuOss scaffold samples did not show the same bone formation or vessel growth. CONCLUSIONS: The results indicate and confirm the basic principles of tissue engineering. In order to have bone regeneration more cells allow for better results. The quality of the scaffold is important and should have stability as well as enough space for cellular migration and recruitment for new blood vessel to support regeneration of bone to its original state.

Articular cartilage is a smooth, white connective tissue that covers and protects the ends of long bones to allow for a smooth, frictionless surface on which to glide for easy movement. Once the tissue is damaged, articular cartilage lacks a direct blood supply, which results in a limited ability to repair itself. This study explores the effect of the growth factor BMP-13 on the chondroinduction of primary human bone marrow-derived mesenchymal stem cells. The results demonstrate the limited ability of BMP-13 to exert a strong chondroinductive effect on human bone marrow-derived MSCs. However, the results do indicate that BMP-13 has the ability to sustain chondroinduction to a certain extent for up to 18 days following initiation by 3 days of exposure to TGF-β3. Results are encouraging for future work that involves growth factor influence on MSCs in articular cartilage tissue engineering.

Cardiovascular disease is a significant health crisis, representing 32% of deaths worldwide in 2019. Vascular calcification (VC), a major contributor to cardiovascular disease, is a regulated biomineralization process whose exact mechanisms are unknown. Additionally, vascular smooth muscle cells (VSMCs) significantly contribute to VC by undergoing a phenotypic switch and differentiating into osteoblast-like cells. When factors like hypertension cause disturbed laminar flow in the body’s vasculature, the mechanical stress promotes the phenotypic switch and calcification of VSMCs via mechanotransduction. VC is also induced by the Wnt pathway, which is activated via mineral imbalance and mechanical stimulation. However, the exact mechanisms behind mechanotransduction in relation to VC, Wnt, and VSMC differentiation are unknown. If uncovered, knowledge of the mechanisms may be used to create effective treatments for VC.

Onchocerciasis, the world's second-leading infectious cause of blindness in humans –prevalent in Sub-Saharan Africa – is caused by Onchocerca volvulus (O. volvulus), an obligatory human parasitic filarial worm. Commonly known as river blindness, onchocerciasis is being targeted for elimination through ivermectin-based mass drug administration programs. However, ivermectin does not kill adult parasites, which can live and reproduce for more than 15 years within the human host. These impediments heighten the need for a deeper understanding of parasite biology and parasite-human host interactions, coupled with research into the development of new tools – macrofilaricidal drugs, diagnostics, and vaccines. Humans are the only definitive host for O. volvulus. Hence, no small-animal models exist for propagating the full life cycle of O. volvulus, so the adult parasites must be obtained surgically from subcutaneous nodules. A two-dimensional (2D) culture system allows that O. volvulus larvae develop from the vector-derived infective stage larvae (L3) in vitro to the early pre-adult L5 stages. As problematic, the in vitro development of O. volvulus to adult worms has so far proved infeasible. We hypothesized that an increased biological complexity of a three-dimensional (3D) culture system will support the development of O. volvulus larvae in vitro. Thus, we aimed to translate crucial factors of the in vivo environment of the developing worms into a culture system based on human skin. The proposed tissue model should contain 1. skinspecific extracellular matrix, 2. skin-specific cells, and 3. enable a direct contact of larvae and tissue components. For the achievement, a novel adipose tissue model was developed and integrated to a multilayered skin tissue comprised of epidermis, dermis and subcutis. Challenges of the direct culture within a 3D tissue model hindered the application of the three-layered skin tissue. However, the indirect coculture of larvae and skin models supported the growth of fourth stage (L4) larvae in vitro. The direct culture of L4 and adipose tissue strongly improved the larvae survival. Furthermore, the results revealed important cues that might represent the initial encapsulation of the developing worm within nodular tissue. These results demonstrate that tissue engineered 3D tissues represent an appropriate in vitro environment for the maintenance and examination of O. volvulus larvae. / Onchozerkose, die weltweit zweithäufigste infektionsbedingte Ursache für Erblindung von Menschen, wird durch Onchocerca volvulus (O. volvulus) verursacht, ein parasitärer Fadenwurm. Die allgemein als Flussblindheit bekannte Onchozerkose wird mit dem Medikament Ivermectin bekämpft, das jedoch nicht die adulten Parasiten tötet, die im Menschen mehr als 15 Jahre lang leben und sich vermehren. Ein tieferes Verständnis der Biologie des Parasiten und dessen Interaktionen im menschlichen Wirt ist für die Erforschung und Entwicklung neuer Instrumente – makrofilarizide Medikamente, Diagnostika und Impfstoffe – erforderlich. Da der Mensch der einzige Endwirt für O. volvulus ist, gibt es keine Tiermodelle für dessen Vermehrung. Zu Forschungszwecken werden adulte Würmer daher chirurgisch aus subkutanen Knoten erkrankter Individuen gewonnen. Ein zweidimensionales (2D) Kultursystem ermöglicht die Entwicklung von aus dem Vektor isolierten infektiösen O. volvulus-Larven (L3) bis zu einem frühen präadulten Stadium. Als problematisch erwies sich bisher die in vitro Entwicklung von O. volvulus bis zum adulten Wurm. Unsere Hypothese ist, dass eine erhöhte biologische Komplexität des Kultursystems die Entwicklung von O. volvulus-Larven in vitro unterstützt. Daher wurden entscheidende Faktoren der in vivo-Umgebung entwickelnder Larven – die menschliche Haut – auf ein dreidimensionales (3D) Kultursystem übertragen. Dieses Kultursystem sollte 1. Haut-spezifische extrazelluläre Matrix enthalten, 2. hautspezifische Zellen und 3. einen direkten Kontakt zwischen Larven und Gewebekomponenten ermöglichen. Dafür wurde ein neuartiges Fettgewebemodell entwickelt, das in ein mehrschichtiges Hautgewebe integriert wurde – bestehend aus Epidermis, Dermis und subkutanem Fettgewebe. Die Anwendung des dreischichtigen Hautgewebes als direktes Kultursystem wurde durch technische Herausforderungen verhindert. Jedoch unterstützte die indirekte Ko-Kultur von Hautmodellen das Wachstum der Larven (L4) in vitro. Die direkte Kultur mit dem Fettgewebemodell verbesserte die Viabilität der Larven signifikant. Darüber hinaus konnten Anzeichen für eine beginnende Verkapselung der Larven durch humane Zellen und Matrix gezeigt werden kann. Die Ergebnisse demonstrieren, dass humane Gewebemodelle eine angemessene in vitro-Umgebung für die Kultur und die Erforschung von O. volvulus darstellen.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第24526号 / 医博第4968号 / 新制||医||1065(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 齋藤 潤, 教授 柳田 素子, 教授 江藤 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Graft-versus-Host Disease (GvHD) stellt einen häufigen, den Gesamterfolg einer allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation limitierenden Faktor dar. Bei dieser Komplikation attackieren vor allem alloreaktive T-Lymphozyten des Stammzellspenders gesunde Körperzellen des Patienten. Infolgedessen kommt es zu Gewebeschäden in den Zielorganen Haut, Leber und Darm. Die Behandlung der GvHD erfordert eine effektive Immunsuppression, was wiederum Graft-versusTumor-Effekte kompromittiert und den Rückfall der malignen Grunderkrankung bedingen kann. Viele Patienten sprechen aus bisher ungeklärten Gründen nicht auf die klassische immunsuppressive Therapie mit Steroiden oder second-line Therapien an. Neue zelluläre Therapien zur Behandlung der refraktären GvHD sind auf dem Vormarsch, bedürfen aber einer weiterführenden klinischen Testung, auch um die exakten Wirkungsmechanismen zu verstehen. Idealerweise könnten neue Testsysteme das GvHD-Potential von allogenen Stammzellpräparaten oder aber das immunsuppressive Potential von neuen GvHD-Therapien vorhersagen, bevor diese in klinischen Studien eingesetzt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein erstes, in multiplen Replikaten einsetzbares, humanes organotypisches Gewebemodell zur Simulation einer GvHD-Reaktion am Beispiel der Haut zu etablieren. Zu diesem Zweck wurden artifizielle humane Hautmodelle unter statischen (KollagenHautmodelle) und dynamischen Kulturbedingungen (vaskularisierte Hautmodelle) generiert. Die Injektion unstimulierter PBMCs (engl. peripheral blood mononuclear cells) führte zu keinen histomorphologischen Veränderungen in den KollagenHautmodellen. Im Gegensatz dazu hatte die Injektion vorstimulierter allogener PBMCs eine Zerstörung der epidermalen Strukturen der Kollagen-Hautmodelle zur Folge, welche vergleichbar waren mit Gewebeschäden bei einer akuten GvHD der Haut. Dieselben Schädigungen der Epidermis wurden durch die Injektion von Mediumüberständen vorstimulierter PBMCs in die Kollagen-Hautmodelle erreicht. Im Kulturmedium der Kollagen-Hautmodelle wurden hohe Konzentrationen von Interleukin 2 und 17, Interferon gamma sowie Tumornekrosefaktor alpha gemessen, wodurch auf die Beteiligung von Zytokinen an der inflammatorischen Reaktion geschlossen werden konnte. Auch im komplexeren vaskularisierten Hautmodell verursachte die Injektion vorstimulierter PBMCs histomorphologische Veränderungen entsprechend einer akuten Haut-GvHD sowie einen zeitabhängigen Anstieg proinflammatorischer Zytokine. Zusammenfassend zeigen die Resultate dieser Arbeit, dass die Induktion einer starken Inflammations- und Immunreaktion in artifiziellen humanen Hautmodellen, welche histomorphologisch eine GvHD imitiert, möglich ist. Dieses Modell könnte als Grundlage für die Entwicklung eines klinisch relevanten Testsystems zur Bestimmung des GvHD-Restpotentials oder zur Festlegung der immunsuppressiven Kapazität innovativer Zellpräparate dienen. Somit könnten humane artifizielle GvHDModelle in klinischen Studien eingesetzt werden und die Erfahrungen aus Tiermodellen ergänzen sowie erste in vitro Ergebnisse im humanen System liefern, welche dann mit dem tatsächlichen klinischen Resultat verglichen werden könnten. / Graft-versus-Host Disease (GvHD) remains the most important limiting factor for the success of allogeneic hematopoietic stem cell transplantation. This major complication is caused by alloreactive donor T-lymphocytes that attack healthy tissues of the recipient leading to severe tissue damage within the target organs skin, liver and gut. Treatment of GvHD requires effective immunosuppression, which in turn impairs Graft-versus-Tumor activity and enhances the risk for relapse of the malignant disease. However, for still unknown reasons many patients do not respond to standard immunosuppressive therapy with steroids or to second-line therapies. Development of novel cellular therapies that gain more and more clinical relevance due to their high anti-tumor potency lead to a strong demand for advanced test platforms to further investigate their underlying functional mechanisms and exclude off-tumor effects against healthy tissues. Ideally, new test systems could be used for the prediction of the GvHD potential of allogeneic stem cell products or for prediction of an immunosuppressive potential of novel GvHD therapies before entering clinical studies. The aim of this study was to establish a GvHD test system based on human organotypic skin models allowing the simulation of GvHD reactions in the skin in multiple replicates. To this end, artificial human skin models were generated under static (collagen skin model) and dynamic culture conditions (vascularized skin model). Injection of unstimulated peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) did not cause histomorphological changes in collagen skin models. In contrast, injection of prestimulated PBMCs resulted in disruption of the epidermis of collagen skin models mimicking acute skin GvHD. The same disruption of the epidermal layer was observed using cell culture supernatants of prestimulated PBMCs, suggesting the involvement of proinflammatory cytokines. Indeed, measurement of cytokine levels in culture supernatants revealed an increase of interleukin 2 and 17, interferon gamma and tumor necrosis factor alpha. In addition, injection of prestimulated PBMCs into more complex vascularized skin models also caused disruption of the epidermal layer and an increase of proinflammatory cytokine levels in a time dependent manner. Taken together, these findings demonstrate that it is possible to induce a strong immune reaction and inflammatory tissue damage in artificial human skin models mimicking histomorphological patterns of acute skin GvHD. Therefore, this model could contribute to the development of a clinically relevant GvHD test platform for prediction of the GvHD potential or immunosuppressive capacity of innovative cell products. Thus, artificial human GvHD models may be employed in clinical studies in order to gain first in vitro results in a human system and to extend information from animal models, which can then be compared to the actual clinical outcome.

Breast cancer is the most common cancer among women worldwide and the second most common cause of cancer death in the developed countries. As the current state of the art in first-line drug screenings is highly ineffective, there is an urgent need for novel test systems that allow for reliable predictions of drug sensitivity. In this study, a tissue engineering approach was used to successfully establish and standardize a 3-dimensional (3D) mamma carcinoma test system that was optimized for the testing of anti-tumour therapies as well as for the investigation of tumour biological issues. This 3D test system is based on the decellularised scaffold of a porcine small intestinal segment and represents the three molecular subsets of oestrogen receptor-positive, HER2/Neu-overexpressing and triple negative breast cancer (TNBC). The characterization of the test system with respect to morphology as well as the expression of markers for epithelial-mesenchymal transition (EMT) and differentiation indicate that the 3D tumour models cultured under static and dynamic conditions reflect tumour relevant features and have a good correlation with in vivo tumour tissue from the corresponding xenograft models. In this respect, the dynamic culture in a flow bioreactor resulted in the generation of tumour models that exhibited best reflection of the morphology of the xenograft material. Furthermore, the proliferation indices of 3D models were significantly reduced compared to 2-dimensional (2D) cell culture and therefore better reflect the in vivo situation. As this more physiological proliferation index prevents an overestimation of the therapeutic effect of cytostatic compounds, this is a crucial advantage of the test system compared to 2D culture. Moreover, it could be shown that the 3D models can recapitulate different tumour stages with respect to tumour cell invasion. The scaffold SISmuc with the preserved basement membrane structure allowed the investigation of invasion over this barrier which tumour cells of epithelial origin have to cross in in vivo conditions during the process of metastasis formation. Additionally, the data obtained from ultrastructural analysis and in situ zymography indicate that the invasion observed is connected to a tumour cell-associated change in the basement membrane in which matrix metalloproteinases (MMPs) are also involved. This features of the model in combination with the mentioned methods of analysis could be used in the future to mechanistically investigate invasive processes and to test anti-metastatic therapy strategies. The validation of the 3D models as a test system with respect to the predictability of therapeutic effects was achieved by the clinically relevant targeted therapy with the monoclonal antibody trastuzumab which induces therapeutic response only in patients with HER2/Neu-overexpressing mamma carcinomas due to its specificity for HER2. While neither in 2D nor in 3D models of all molecular subsets a clear reduction of cell viability or an increase in apoptosis could be observed, a distinct increase in antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC) was detected only in the HER2/NEU-overexpressing 3D model with the help of an ADCC reporter gene assay that had been adapted for the application in the 3D model in the here presented work. This correlates with the clinical observations and underlines the relevance of ADCC as a mechanism of action (MOA) of trastuzumab. In order to measure the effects of ADCC on the tumour cells in a direct way without the indirect measurement via a reporter gene, the introduction of an immunological component into the models was required. This was achieved by the integration of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), thereby allowing the measurement of the induction of tumour cell apoptosis in the HER2/Neu-overexpressing model. Hence, in this study an immunocompetent model could be established that holds the potential for further testing of therapies from the emergent field of cancer immunotherapies. Subsequently, the established test system was used for the investigation of scientific issues from different areas of application. By the comparison of the sensitivity of the 2D and 3D model of TNBC towards the water-insoluble compound curcumin that was applied in a novel nanoformulation or in a DMSO-based formulation, the 3D test system was successfully applied for the evaluation of an innovative formulation strategy for poorly soluble drugs in order to achieve cancer therapy-relevant concentrations. Moreover, due to the lack of targeted therapies for TNBC, the TNBC model was applied for testing novel treatment strategies. On the one hand, therapy with the WEE1 kinase inhibitor MK 1775 was evaluated as a single agent as well as in combination with the chemotherapeutic agent doxorubicin. This therapy approach did not reveal any distinct benefits in the 3D test system in contrast to testing in 2D culture. On the other hand, a novel therapy approach from the field of cellular immunotherapies was successfully applied in the TNBC 3D model. The treatment with T cells that express a chimeric antigen receptor (CAR) against ROR1 revealed in the static as well as in the dynamic model a migration of T cells into the tumour tissue, an enhanced proliferation of T cells as well as an efficient lysis of the tumour cells via apoptosis and therefore a specific anti-cancer effect of CAR-transduced T cells compared to control T cells. These results illustrate that the therapeutic application of CAR T cells is a promising strategy for the treatment of solid tumours like TNBC and that the here presented 3D models are suitable for the evaluation and optimization of cellular immunotherapies. In the last part of this work, the 3D models were expanded by components of the tumour stroma for future applications. By coculture with fibroblasts, the natural structures of the intestinal scaffold comprising crypts and villi were remodelled and the tumour cells formed tumour-like structures together with the fibroblasts. This tissue model displayed a strong correlation with xenograft models with respect to morphology, marker expression as well as the activation of dermal fibroblasts towards a cancer-associated fibroblast (CAF) phenotype. For the integration of adipocytes which are an essential component of the breast stroma, a coculture with human adipose-derived stromal/stem cells (hASCs) which could be successfully differentiated along the adipose lineage in 3D static as well as dynamic models was established. These models are suitable especially for the mechanistic analysis of the reciprocal interaction between tumour cells and adipocytes due to the complex differentiation process. Taken together, in this study a human 3D mamma carcinoma test system for application in the preclinical development and testing of anti-tumour therapies as well as in basic research in the field of tumour biology was successfully established. With the help of this modular test system, relevant data can be obtained concerning the efficacy of therapies in tumours of different molecular subsets and different tumour stages as well as for the optimization of novel therapy strategies like immunotherapies. In the future this can contribute to improve the preclinical screening and thereby to reduce the high attrition rates in pharmaceutical industry as well as the amount of animal experiments. / Brustkrebs ist die häufigste Krebsart bei Frauen und die zweithäufigste Todesursache bei Krebserkrankungen in den Industrienationen. Aufgrund der Ineffizienz der derzeit verwendeten Modelle für die Identifizierung neuer Therapeutika herrscht ein hoher Bedarf an neuartigen Testsystemen, welche aussagekräftige Vorhersagen über die Wirksamkeit ermöglichen. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe des Tissue Engineerings erfolgreich ein 3-dimensionales (3D) Mammakarzinom-Testsystem etabliert, standardisiert und für die Testung von anti-tumoralen Therapien sowie weitere tumorbiologische Fragestellungen optimiert. Dieses 3D Testsystem basiert auf der dezellularisierten Gerüststruktur eines porcinen Dünndarmsegments und repräsentiert die drei molekularen Subtypen des Östrogen-Rezeptor-positiven, HER2/Neu-überexprimierenden sowie des tripel-negativen Brustkrebses (TNBC). Die Charakterisierung des Testsystems anhand der Morphologie sowie der Expression von Markern zur Bestimmung der epithelialen-mesenchymalen Transition (EMT) und der Differenzierung zeigte, dass die statisch und dynamisch kultivierten 3D Modelle Tumor-relevante Charakteristika widerspiegeln und eine deutliche Ähnlichkeit zu in vivo Tumormaterial aus entsprechenden Xenograft-Modellen aufweisen, wobei die dynamische Kultivierung in einem Flussreaktor zur Generierung von Tumormodellen führte, welche die Morphologie des Tumorgewebes aus Xenograft-Modellen am besten repräsentierten. Des Weiteren war die Proliferationsrate in den 3D Modellen im Vergleich zu 2-dimensionalen (2D) Zellkulturen signifikant reduziert und entspricht daher eher der Situation in vivo. Dies ist ein entscheidender Vorteil des Testsystems gegenüber der 2D Zellkultur, da durch die physiologischere Proliferationsrate eine Überschätzung des Therapieeffekts zytostatischer Medikamente vermieden wird. Zudem konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der 3D Modelle unterschiedliche Tumorstadien in Bezug auf die Tumorzellinvasion abgebildet werden können. Die Gerüststruktur SISmuc mit erhaltener Basalmembranstruktur ermöglichte eine Untersuchung der Invasion über diese Barriere, welche Tumorzellen epithelialen Ursprungs unter in vivo-Bedingungen beim Prozess der Metastasierung überwinden müssen. Zudem deuten die durch ultrastrukturelle Analysen und in situ Zymographie gewonnenen Daten darauf hin, dass die beobachtete Invasion mit einer Tumorzell-assoziierten Veränderung der Basalmembran, an der auch Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) beteiligt sind, einhergeht. Diese Eigenschaften des Modells in Kombination mit den erwähnten Untersuchungsmethoden könnten in Zukunft dazu eingesetzt werden, Invasionsprozesse mechanistisch zu untersuchen sowie neue anti-metastatisch wirkende Therapiestrategien zu testen. Die Validierung der 3D Modelle als Testsystem bezüglich der Vorhersagbarkeit von Therapieeffekten erfolgte mit Hilfe der klinisch relevanten, zielgerichteten Therapie mit dem monoklonalen Antikörper Trastuzumab, welcher aufgrund seiner Spezifität für HER2/Neu nur in Patienten mit HER2/Neu-überexprimierendem Mammakarzinom einen Therapieerfolg erzielt. Während weder in 2D noch in den 3D Modellen aller molekularer Subtypen eine eindeutige Reduktion der Zellviabilität oder ein Anstieg der Apoptose gemessen werden konnte, zeigte sich mit Hilfe eines ADCC-Reportergenassays, der in dieser Arbeit für die Anwendung im 3D Modell angepasst wurde, ein deutlicher Anstieg der Antikörper-abhängigen zellvermittelten Zytotoxizität (ADCC) lediglich für das HER2/Neu-überexprimierende Modell. Dies entspricht den klinischen Beobachtungen und unterstreicht die Relevanz der ADCC als Wirkmechanismus des Antikörpers. Um die direkten Effekte einer ADCC auf die Tumorzellen im 3D Testsystem direkt – ohne den Umweg über ein Reportergen – messbar zu machen, war die Einführung einer immunologischen Komponente notwendig. Dies gelang mit Hilfe der Integration von mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs), wodurch die Induktion der Apoptose im HER2/Neu-überexprimierenden Modell messbar war. Somit konnte im Rahmen dieser Arbeit ein immunkompetentes Modell etabliert werden, welche das Potenzial für weitere Testungen aus dem aufstrebenden Bereich der Krebsimmuntherapien bietet. Anschließend wurde das etablierte Testsystem zur Untersuchung von Fragestellungen aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt. Durch den Vergleich der Sensitivität von Tumorzellen in 2D und im 3D Modell des TNBC gegenüber des wasserunlöslichen Wirkstoffs Curcumin, welcher in einer neuartigen Nanoformulierung bzw. in einer DMSO-basierten Formulierung appliziert wurde, konnte das 3D Testsystem für die Evaluation einer innovativen Formulierungsstrategie für unlösliche Wirkstoffe angewendet werden, um für die Krebstherapie relevante Dosierungen zu erreichen. Weiterhin wurden aufgrund des Mangels an zielgerichteten Therapien für das tripel-negative Mammakarzinom neuartige Therapiestrategien anhand des 3D Modells getestet. Zum einen wurde die Therapie mit dem WEE1-Kinase Inhibitor MK 1775 als Monotherapie sowie in Kombination mit dem Chemotherapeutikum Doxorubicin evaluiert. Diese zeigte im Gegensatz zu Testungen in 2D Kultur keinen eindeutigen Therapieeffekt im 3D Testsystem. Zum anderen wurde eine neuartige Behandlung aus dem Bereich der zellulären Immuntherapie erfolgreich im TNBC 3D Modell angewendet. Die Behandlung mit T-Zellen, welche einen chimären Antigen-Rezeptor (CAR) gegen ROR1 tragen, zeigte sowohl im statischen als auch im dynamischen Modell eine Migration der T-Zellen in das Tumorgewebe, eine erhöhte Proliferation der T-Zellen sowie eine effiziente Lyse der Tumorzellen mittels Apoptose und damit eine spezifische anti-tumorale Wirkung der CAR-transduzierten T-Zellen im Vergleich zu Kontroll-T-Zellen. Diese Ergebnisse verdeutlichen einerseits, dass die therapeutische Anwendung von CAR-T-Zellen eine vielversprechende Strategie für die Behandlung von soliden Tumoren wie des TNBC ist, zum anderen, dass die hier vorgestellten 3D Modelle als Testsystem für die Evaluierung und Optimierung von zellulären Immuntherapien geeignet sind. Im letzten Teil der Arbeit wurde das 3D Modell für die zukünftige Anwendung um Komponenten des Tumorstromas erweitert. Durch die Kokultur mit Fibroblasten wurden die natürlichen Strukturen der Darmmatrix, bestehend aus Krypten und Villi, umgebaut und die Krebszellen bildeten zusammen mit den Fibroblasten tumorartige Strukturen aus. Das so erzeugte Gewebemodell zeigte sowohl in morphologischer Hinsicht als auch bezogen auf die Markerexpression und die Aktivierung der dermalen Fibroblasten hin zu Krebs-assoziierten Fibroblasten (CAFs) starke Ähnlichkeit mit Xenograft-Modellen. Für die Integration von Adipozyten, welche ein wichtiger Bestandteil des Stromas in der Brust sind, wurde eine Kokultur mit humanen, aus dem Fettgewebe stammenden Stroma-/Stammzellen (hASCs) etabliert, welche sowohl im statischen als auch im dynamischen 3D Modell erfolgreich adipogen differenziert werden konnten. Diese Modelle eignen sich aufgrund des komplexen Differenzierungsprozesses vor allem für die mechanistische Untersuchung der Interaktionen zwischen Tumorzellen und Adipozyten. Zusammenfassend ist es in dieser Arbeit gelungen, ein humanes 3D Mammakarzinom-Testsystem zur Anwendung in der präklinischen Entwicklung und Testung anti-tumoraler Therapien sowie der Grundlagenforschung im Bereich der Tumorbiologie zu etablieren. Mit Hilfe dieses modularen Testsystems können relevante Daten zur Wirksamkeit von Therapien in Tumoren unterschiedlicher molekularer Subtypen sowie unterschiedlich fortgeschrittener Tumorstadien und zur Optimierung neuartiger Therapiestrategien wie Immuntherapien gewonnen werden. Dies kann in Zukunft dazu beitragen das präklinische Screening zu verbessern und somit die hohen klinischen Ausfallraten in der pharmazeutischen Industrie und die Zahl von Tierversuchen zu reduzieren.