Lungenkrebs ist weltweit für die meisten krebsassoziierten Tode verantwortlich. Ursache dafür ist unter anderem, dass viele Medikamente in der klinischen Anwendung, aufgrund nicht übertragbarer Ergebnisse aus der Präklinik, scheitern. Zur Entwicklung neuer Therapiestrategien werden deshalb Modelle benötigt, welche die in vivo Situation besser widerspiegeln. Besonders wichtig ist es dabei, zu zeigen, für welche Fragestellungen ein neues Testsystem valide Ergebnisse liefert. In dieser Arbeit ist es mit Hilfe des Tissue Engineering gelungen, ein humanes 3D in vitro Lungentumor-Testsystem weiter zu entwickeln und für verschiedene Fragestellungen zu validieren. Zudem konnten sowohl für die Herstellung als auch für die Behandlung der Tumormodelle SOPs etabliert werden. Hier wurde zunächst beobachtet, dass die Auswerteparameter für die Beurteilung von Behandlungseffekten eine geringe Varianz aufweisen und das 3D Modell deshalb als Testsystem geeignet ist. Ein Vergleich der Morphologie, des EMT-Status und der Differenzierung der Tumorzelllinien im 3D Modell mit Tumorbiopsaten von Adenokarzinompatienten verdeutlichte, dass die 3D Modelle tumorrelevante Merkmale besitzen. So sind die Zelllinien auf der biologischen Matrix, verglichen mit der jeweiligen 2D Kultur, durch eine reduzierte Proliferationsrate gekennzeichnet, welche eher der in vivo Situation entspricht. Für die Etablierung und Validierung des 3D Modells als Testsystem war es notwendig, klinisch relevante Therapien in dem Modell anzuwenden und die Ergebnisse der Behandlung in vitro mit denen im Patienten zu vergleichen. Dabei konnte zunächst bestätigt werden, dass eine zielgerichtete Therapie gegen den EGFR in dem 3D System zu einer verstärkten Induktion der Apoptose im Vergleich zu 2D führt. Dies entspricht klinischen Beobachtungen, bei denen EGFR-mutierte Patienten gut auf eine Therapie mit Tyrosin-Kinase-Inhibitoren (TKI) ansprechen. Anschließend wurde in dieser Arbeit erstmals in vitro gezeigt, dass die Behandlung mit einem HSP90-Inhibitor bei KRAS-Mutation wie in behandelten Patienten keine eindeutigen Vorteile bringt, diese jedoch in Experimenten der 2D Zellkultur mit den entsprechenden Zelllinien vorhergesagt werden. Die Ergebnisse aus dem in vitro Modell spiegeln damit verschiedene klinische Studien wider und unterstreichen das Potenzial des 3D Lungentumor-Testsystems die Wirkung zielgerichteter Therapien vorherzusagen. Durch die Messung von Signalwegsaktivierungen über Phospho-Arrays und Western Blot konnten in dieser Arbeit Unterschiede zwischen 2D und 3D nach Behandlung gezeigt werden. Diese lieferten die Grundlage für bioinformatische Vorhersagen für Medikamente. Mit fortschreitender Erkrankung und dem Entstehen invasiver Tumore, die möglicherweise Metastasen bilden, verschlechtert sich die Prognose von Krebspatienten. Zudem entwickeln Patienten, die zunächst auf eine Therapie mit TKI ansprechen, bereits nach kurzer Zeit Resistenzen, die ebenfalls zur Progression des Tumorwachstums führen. Zur Wirkungsuntersuchung von Substanzen in solchen fortgeschrittenen Erkrankungsstadien wurde das bestehende Testsystem erweitert. Zum einen wurde mit Hilfe des Wachstumsfaktors TGF-β1 eine EMT ausgelöst. Hier konnte beobachtet werden, dass sich die Expression verschiedener EMT- und invasionsassoziierter Gene und Proteine veränderte und die Zellen vor allem in dynamischer Kultur verstärkt die Basalmembran der Matrix überquerten. Zum anderen wurde die Ausbildung von Resistenzen gegenüber TKI durch die Generierung von resistenten Subpopulationen aus einer ursprünglich sensitiven Zelllinie und anschließender Kultivierung auf der Matrix abgebildet. Dabei zeigte sich keine der klinisch bekannten Mutationen als ursächlich für die Resistenz, sodass weitere Mechanismen untersucht wurden. Hier konnten Veränderungen in der Signaltransduktion sowie der Expression EMT-assoziierter Proteine festgestellt werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde eine neuartige Behandlung im Bereich der Immuntherapie erfolgreich in dem 3D Modell angewendet. Dafür wurden T-Zellen, die einen chimären Antigen-Rezeptor (CAR) gegen ROR1 tragen, in statischer und dynamischer Kultur zu den Tumorzellen gegeben und der Therapieeffekt mittels histologischer Färbung und der Bestimmung der Apoptose evaluiert. Zusätzlich konnten Eigenschaften der T-Zellen, wie deren Proliferation sowie Zytokinausschüttung quantifiziert und damit eine spezifische Wirkung der CAR transduzierten T-Zellen gegenüber Kontroll-T-Zellen nachgewiesen werden. Zusammenfassend ist es in dieser Arbeit gelungen, ein humanes 3D Lungentumor-Testsystem für die Anwendung in der präklinischen Entwicklung von Krebsmedikamenten sowie der Grundlagenforschung im Bereich der Tumorbiologie zu etablieren. Dieses Testsystem ist in der Lage relevante Daten zu Biomarker-geleiteten Therapien, zur Behandlung fortgeschrittener Tumorstadien und zur Verbesserung neuartiger Therapiestrategien zu liefern. / Lung cancer is the most common cause of cancer related deaths worldwide. One reason for this is that many drugs fail in the clinical application due to inefficient transferability of preclinical results. Consequently, for the development of new treatment strategies tumor models that better reflect the in vivo situation are required. It is of special significance to show for which questions a new test system provides valid results. In the here presented work, a human 3D in vitro lung tumor test system was refined and validated for different interrogations using tissue engineering methods. The generation of the model as well as its treatment were defined in SOPs. First, it was shown that the variance of the analysis parameters was low, demonstrating the 3D model to be suitable as a test system. A comparison of the morphology, the EMT status and the differentiation of the tumor cell lines in the 3D model with tumor biopsies from adenocarcinoma patients revealed that the 3D tumor models exhibit tumor relevant characteristics. The cells on the matrix had a lower proliferation rate compared to the respective 2D culture that better mimic the in vivo situation. For the establishment and validation of the test system, clinically relevant therapies were applied and the results of the treatment in vitro were compared to those in patients. By doing so, it was confirmed that a targeted therapy against the EGFR led to an increased apoptosis induction in the 3D system compared to 2D. This resembles clinical observations, in which EGFR-mutated patients respond to the therapy with tyrosine kinase inhibitors (TKIs). Next, it was shown for the first time in vitro in the 3D model that the treatment with a HSP90 inhibitor in the context of a KRAS mutation has no clear advantages as observed in patients, but which had been predicted in 2D cell culture. The results from the in vitro model match several clinical studies and emphasize the potential of the 3D lung tumor test system to predict the effect of targeted treatments. By measuring the activation of signal transduction pathways using phospho-arrays and western blots, differences between 2D and 3D after treatment were shown. These provided the basis for bioinformatic drug predictions. With the progress of the disease and the development of invasive tumors that might form metastases, the prognosis of patients worsens. Additionally, patients that initially respond to a therapy with TKIs develop resistances that also lead to the progression of tumor growth. To evaluate the effect of substances in these life-threatening disease stages, the existing test system was enhanced. On the one hand EMT was induced by addition of the growth factor TGF-β1. Here, it was observed that the expression of several EMT- and invasion-associated genes and proteins changed and the cells crossed the basement membrane to a higher extent, especially in the dynamic culture. On the other hand, the development of resistances against TKIs was represented by the generation of resistant subpopulations from an initial sensitive cell line and subsequent culture on the matrix. In the course of this experiment, none of the known mutations could be attributed to the resistance, so that other potential mechanisms were investigated. Here, changes in the signal transduction as well as in the expression of EMT-associated proteins were found. In the last part of the thesis, a new treatment strategy in the field of immune therapies was successfully tested in the 3D model. For that, T cells bearing a chimeric antigen receptor (CAR) against ROR1 were added to the tumor cells in static and dynamic culture. The therapy effect was determined by histological staining and apoptosis meas-urement. Moreover, the characteristics of the T cells, such as proliferation or cytokine release, were quantified and exhibited a specific effect of the CAR transduced T cells compared to the control T cells. In summary, in this thesis a human 3D lung tumor test system was established for the application in preclinical testing of cancer drugs as well as for basic research in tumor biology. It was shown that the test system can provide relevant data on biomarker-driven therapies, the treatment of advanced tumor stages and the improvement of new treatment strategies.

Ziel dieser retrospektiven Arbeit war es, die Daten von Patienten, die stereotaktisch aufgrund eines Lungentumors (NSCLC, Lungenmetastasen und Rezidiven) bestrahlt wurden, hinsichtlich des Therapieerfolges auszuwerten. Hierfür wurden die Unterlagen von 148 Patienten der Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie der Universität Würzburg bezüglich der lokalen und systemischen Kontrolle, des Überlebens und der strahlenbedingten Nebenwirkungen untersucht. Für die Analyse wurden die Patienten in zwei Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe bestand aus 40 Patienten mit 41 NSCLC im frühen Stadium (Stadium I und T3N0M0). In der zweiten Gruppe wurden 108 Patienten mit 25 NSCLC im fortgeschrittenen (Stadium III) und metastasierten Stadium sowie Patienten mit 111 Lungenmetastasen und zehn Rezidiven zusammengefasst. Die Bestrahlung erfolgte je nach Lage und Größe des Tumors mit Bestrahlungsdosen zwischen 6 und 26 Gy in einer bis acht Fraktionen, wobei die biologisch effektive Dosis appliziert auf das PTV zwischen 24 und 94 Gy lag. Die mediane Nachsorgedauer betrug 14 Monate. Bei der Betrachtung des lokalen Tumoransprechens zeigten sich in beiden Gruppen gute Ergebnisse mit lokalen Kontrollraten nach drei Jahren von jeweils 84%. In der statistischen Analyse wurde deutlich, dass eine lokale Tumorkontrolle sehr stark mit der Höhe der verabreichten Bestrahlungsdosis korreliert. So wurden mit BED > 80 Gy signifikant bessere Ergebnisse erzielt als mit BED < 80 Gy. Dementsprechend konnte auch mit den hochdosierten Bestrahlungsschemata (1 x 26 Gy auf 80% und 3 x 12,5 Gy auf 65%) eine bessere Kontrolle erreicht werden. In der ersten Gruppe der NSCLC im frühen Stadium waren die CTV und PTV der Tumoren, die lokal kontrolliert blieben signifikant kleiner, als die CTV und PTV der Tumoren, die lokal rezidivierten. Die systemische Kontrollrate fiel in der ersten Gruppe besser aus als in der zweiten Gruppe. Nach drei Jahren lagen die Werte entsprechend bei 36% und 16%. In der Gruppe der NSCLC im frühen Stadium erwies sich die Größe des bestrahlten Volumens als Faktor, der die systemische Kontrolle beeinflusst, wobei systemisch kontrollierte Patienten ein signifikant kleineres CTV und PTV hatten. Die Überlebensraten der Patienten lagen in der Gruppe 1 und 2 nach drei Jahren bei 32% und 17%. Sowohl der Leistungszustand vor Behandlungsbeginn als auch die Größe des bestrahlten Volumens beeinflussten das Überleben der Patienten. In der Gruppe 2 zeigte sich außerdem, dass ein hochdosiertes Bestrahlungsschema vorteilhaft für die Überlebensdauer eines Patienten ist. Da 46% der Todesursachen in der Gruppe 1 auf Begleiterkrankungen zurückzuführen waren, fiel folglich auch das tumorspezifische Überleben mit 51% nach drei Jahren deutlich besser aus als das Gesamtüberleben. Die Faktoren, die ein tumorspezifisches Überleben begünstigten, waren in Gruppe 1 das Alter und die Größe des bestrahlten Volumens. In der Gruppe 2 wirkte sich noch zusätzlich die Höhe der Bestrahlungsdosis signifikant auf das CSS aus. Das krankheitsfreie Überleben in der Gruppe 1 lag nach drei Jahren bei 23% und unterschied sich signifikant zwischen den einzelnen Tumorhistologien, wobei Patienten mit einem Adeno-CA am längsten krankheitsfrei überlebten. Außerdem hatten Patienten mit einem krankheitsfreien Überleben im Median kleinere CTV und PTV als Patienten, die während der Nachsorge verstarben oder nicht kontrolliert blieben. Die Gruppe 2 erreichte nach drei Jahren eine DFS-Rate von 8%. Die Rate an strahleninduzierten Nebenwirkungen fiel insgesamt gering aus. Schwere Nebenwirkungen ≥ Grad 3 traten in der Gesamtgruppe zu einem Anteil von 1,4% auf. Es zeigten sich jeweils eine Grad 3 und eine Grad 5 Nebenwirkung in der Gruppe 2 nach mehr als sechs Monaten nach Bestrahlung. Leichte akute und späte Nebenwirkungen ≤ Grad 2 konnten bei 42,5% der Patienten in der Gruppe 1 und bei 39,7% der Patienten der Gruppe 2 beobachtet werden. Weder die Höhe der BED noch die Größe des bestrahlten Volumens konnten mit dem Auftreten einer Nebenwirkung und deren Schweregrad in Verbindung gebracht werden. Insgesamt lässt sich festhalten, dass die stereotaktische Bestrahlung eine effektive und sichere Therapiemethode zur Bestrahlung von Lungenherden darstellt. Wird die stereotaktische Bestrahlung in kurativer Intention eingesetzt, sollte darauf geachtet werden, dass eine ausreichend hohe Bestrahlungsdosis Anwendung findet, um eine lokale Tumorkontrolle zu erzielen. / The aim of this retrospective study was to analyze the data of patients with lung tumors who were treated with stereotactic body radiation therapy in terms of treatment success. For this purpose the records of 148 patients of the Clinic of Radiotherapy at the University of Würzburg were examined with regard to the local and systemic control, survival and radiation-related side effects. For analysis, the patients were divided into two groups. The first group consisted of 40 patients with 41 early stage NSCLC (Stage I and T3N0M0). In the second group 108 patients with 25 advanced NSCLC (Stage III and IV), patients with 111 lung metastasis and ten recurrences were combined. The irradiation protocoll depended on tumor location and size. Doses of 6-26 Gy in one to eight fractions were applied, the biologically effective dose to the PTV was 24-94 Gy. The median follow-up duration was 14 months. In both groups good results were achieved considering the local tumor response, with local control rates after three years of 84%. In the statistical analysis, local tumor control was very strongly correlated with the amount of radiation dose administered. With a BED > 80 Gy better results were obtained than with BED < 80 Gy. A better local control was also achieved with the high-dose irradiation regimens (1 x 26 Gy to 80% and 3 x 12.5 Gy to 65%). In the first group of early stage NSCLC the CTV and PTV of locally controlled tumors were significantly smaller than the CTV and PTV of tumors that recurred locally. In the first group a better systemic controll rate was achieved than in the second group. After three years, the values ​​were correspondingly 36% and 16%. In the group of early stage NSCLC the size of the irradiated volume proved to be a factor influencing the systemic control, wherein systemically controlled patients had a significantly smaller CTV and PTV. The survival rates in group 1 and 2 after three years were 32% and 17%. In both groups the performance state prior to the start of treatment and the size of the irradiated volume affected the survival. In Group 2 a high dose radiation scheme was advantageous for the survival. The tumor specific survival in Group 1 was significantly better than the overall survival. The factors favoring a tumor-specific survival were age and size of the irradiated volume in group 1. In Group 2 the amount of radiation dose seemed to be a significant effect on the CSS. After three years the disease-free survival in group 1 was 23% and significantly different between the individual tumor histologies. In addition, patients who survived disease-free had a smaller CTV and PTV. Group 2 achieved a DFS rate of 8% after three years. Radiation-induced side effects were rare. In the entire group serious adverse effects ≥ Grade 3 occurred in 1.4%. There were one Grade 3 and Grade 5 adverse event in group 2 after more than six months after irradiation. Slight acute and late side effects ≤ Grade 2 were observed in 42.5% of patients in Group 1 and in 39.7% of patients in Group 2. Neither the size nor the BED of the irradiated volume could be associated with the occurrence of a side effect and its severity. Overall, it can be stated that the stereotactic body radiation therapy is an effective and safe method for the treatment of lung tumors. If the stereotactic radiation is used in curative intent, it should be ensured that a sufficiently high radiation dose is applied to achieve local tumor control.

Thesis (Doctoral)--Ruhr-Universität Bochum, 1983.

Als die häufigste tödliche Tumorerkrankung weltweit ist das Lungenkarzinom mit einer sehr schlechten Prognose verbunden. Eine Behandlungsoption für Lungenadenokarzinome, die eine aktivierende EGFR-Mutation aufweisen, ist der orale EGFR-TKI Gefitinib (Iressa®, ZD1839). Die Resistenzentwicklung von Tumoren gegen diese Therapie stellt ein großes klinisches Problem dar. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Dosis-Wirkungs-Beziehung von Gefitinib, sowie die Entwicklung von Resistenzen in einem etablierten humanen 3D Lungentumormodell zu untersuchen und dieses Testsystem für eben diese Fragestellungen zu validieren. Vorliegende Arbeit bestätigt, dass pharmakologische Untersuchungen in Zellkulturen häufig zu einer Überschätzung des Behandlungserfolges führen. Das verwendete Modell entspricht mehr den in vivo Bedingungen. In dieser Arbeit wurden zwei ATP-Zellvitalitätsassays für die statischen 3D Lungentumormodelle etabliert und erfolgreich angewendet. Dabei zeigte sich eine konzentrationsabhängige Wirkung von Gefitinib auf das Wachstum, die Proliferation, die Apoptose, die Markerexpression sowie die Signalwegsaktivierungen. Im statischen 3D Lungentumormodell lag der IC50-Wert zwischen 0,05-0,1 µM Gefitinib welches den Werten aus klinischen Beobachtungen entspricht. Auch der in der Klinik bereits nach wenigen Stunden eintretende zeitliche Effekt von Gefitinib konnte in unserem Modell bestätigt werden. Eine dynamische Kultivierung der Lungentumorzellen, mit von Scherkräften verursachtem schnellerem Zellwachstum, führte zu einer weiteren Annährung an die klinischen Gegebenheiten. Das Netzwerk der Gefitinib-Wirkung auf die EGFR-Signalkaskade wurde in unserem Modell charakterisiert. Die Betrachtung einer resistenten Zell-Subpopulation zeigte einen Resistenzmechanismus über eine Epitheliale-Mesenchymale-Transition. Zusätzlich wurde versucht, eine neue medikamenten-resistente Zell-Subpopulation zu generieren. Das beschriebene 3D Lungentumormodell ermöglicht richtungsweisende Untersuchungen zu Dosis-Wirkungs-Beziehung von Gefitinib. Ansätze für eine weitere Optimierung des Modells wurden herausgearbeitet. / Lung cancer is the deadliest proliferative disease worldwide and associated with a poor prognosis. One option for treatment of adenocarcinomas of the lung with an activating epidermal growth factor receptor (EGFR) mutation is the oral EGFR-tyrosine kinase inhibitor (TKI) Gefitinib (Iressa®, ZD1839). The development of resistances against EGFR-TKIs is a predominant clinical threat. The aim of this dissertation was to further explore the relations of dose and impact of Gefitinib and the development of resistances in an established three dimensional (3D) human lung cancer model. The models accuracy was analysed. This study confirmed that pharmacological testing in cell cultures often leads to an overestimation of the treatment while our model represents in vivo conditions in a more accurate way. Initially two ATP-cell viability assays were established and successfully used in the static 3D lung cancer model. Gefitinib had a concentration-dependent impact on cell growth, proliferation, apoptosis, the expression of markers and the activation of signalling pathways. In the static 3D lung cancer model the half maximal inhibitory concentration was reached between 0.05 µM and 0.1 µM Gefitinib. The effect of Gefitinib was apparent after several hours. These findings confirmed clinical observations. To mimic the clinical setting further the lung cancer cells were cultivated under dynamic conditions which lead to shear forces and a resulting rise in cell growth. In our model we characterized the network of the EGFR signalling pathways. Exploration of a resistant subpopulation of adenocarcinoma cells revealed an epithelial-mesenchymal transition of the cells. The generation of another resistant subpopulation was attempted. The described 3D lung cancer model can be used for an indicatory analysis of Gefitinib and its properties. Options for further improvement were explored.