Zugl.: Kaiserslautern, Techn. Univ., Diss., 2007

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Die Immunabwehr des Patienten stellt eine Schlüsselrolle bei der spontanen Tumorregression dar. Bisher zählten zytotoxische CD8-positive T Zellen und natürliche Killerzellen zu den wichtigsten zellulären Vertretern der Tumorkontrolle. Im Tierversuch konnte jedoch kein signifikanter Einfluss dieser Zellen auf die spontane Regression nachgewiesen werden. Allerdings fand sich eine hohe Anzahl an Makrophagen im Tumorgewebe. In vorangegangenen Untersuchungen zeigte sich bei der Depletion der Makrophagen mittels Clodronate im Tiermodell der Ratte ein deutlich gesteigertes Tumorwachstum. In der hier durchgeführten Versuchsreihe wurde nun der Einfluss von Makrophagen auf das Tumorwachstum orthotop implantierter C6-Glioblastomsphäroide betrachtet. Dabei wurden die Makrophagen durch den Granulozyten-Makrophagen Kolonie-stimulierenden Faktor (rhGM-CSF, Leukine) aktiviert. 29 SD-Ratten wurden C6-Gliom-Sphäroide orthotop implantiert. 20 der Tiere wurden jeden zweiten Tag mit 1µg/100g Körpergewicht rhGSM-CSF s. c. behandelt. Neun Tiere dienten als Kontrollgruppe. Zur Verlaufsbeurteilung wurden an den Tagen 7, 14, 21, 28, 32 und 42 nach Implantation MRT-Untersuchungen (T1, T2 und 3D CISS-Sequenzen) durchgeführt. Die Tumorvolumina wurden mit Hilfe dieser MRT-Untersuchungen ermittelt. Die histologische Aufarbeitung beinhaltete HE-, CD68-Makrophagen-, CD8-positive T Zellen- sowie Ki-67 Proliferations- Färbungen in Paraffinschnitten von Gehirn, Tumor und Milz. In 15 der 20 behandelten Tiere entwickelten sich solide Tumoren. Am Tag 7 konnte lediglich bei zwei Tieren mittels MRT ein minimales Tumorwachstum nachgewiesen werden. In der Kontrollgruppe war bereits bei drei von neun Tieren minimales Tumorwachstum zu verzeichnen. Am Tag 14 zeigten sich bei 11 von 17 (65%) Tieren der Versuchsgruppe solide Tumoren. Drei der verbleibenden 15 Tiere zeigten am Tag 21 erstmalig Tumorwachstum. Im Gegensatz dazu konnte in der Kontrollgruppe bereits an Tag 14 bei allen Tieren ein Tumorwachstum nachgewiesen werden. In der GM-CSF Gruppe entwickelten sich die Tumoren später und erreichten mit einem Median von 134mm³ ein geringeres Volumen als in der Kontrollgruppe (262mm³). Das mediane Überleben war mit 35 Tagen in der Gruppe der behandelten Tiere signifikant länger als in der Kontrollgruppe mit 24 Tagen. Zudem wurden in der histologischen Aufarbeitung der Tumoren signifikant mehr Makrophagen im Tumorgewebe nachgewiesen. Die Stimulation der Makrophagen durch GM CSF im orthotopen C6 Glioblastommodell der Ratte führte zu einem beachtlich reduzierten und verzögerten Tumorwachstum. Die behandelten Tiere überlebten signifikant länger als die Tiere der Kontrollgruppe. Die aktuelle Datenlage bestätigt die bedeutende Rolle der angeborenen Immunabwehr durch Makrophagen in der Kontrolle des Tumorwachstums bei experimentellen Glioblastomen. Die Aktivierung der Makrophagen hatte einen deutlichen Einfluss auf das Tumorwachstum, wohingegen eine T Zell-Depletion nur einen geringen Einfluss darauf hatte. Makrophagen als Vertreter des angeborenen Immunsystems wurden bisher in ihrer Rolle der Tumorkontrolle unterschätzt. Es bedarf noch weiterer Untersuchungen, ob die Makrophagen in Zukunft, ohne die körpereigenen Zellen anzugreifen, zur wirkungsvollen Tumorbekämpfung herangezogen werden könnten. / The patient's immune defense represents a key role in spontaneous tumor regression. Until now, cytotoxic CD8-positive T cells and natural killer cells were considered to be one of the most important cellular representatives of tumor control. The aim of the present study was to investigate the influence of macrophages on tumor growth of orthotopically implanted C6 glioma spheroids. Macrophages were activated by granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (rhGM-CSF, Leukine). 29 Sprague-Dawley rats were implanted C6 glioma spheroids orthotopically. 20 of the animals were treated with 1μg/100g rhGSM-CSF s. c. every other day. Nine animals served as the control group. MRI examinations (T1, T2, and 3D CISS sequences) were performed on days 7, 14, 21, 28, 32, and 42 after implantation. Tumor volumes were determined using these MRI examinations. Histologic workup included HE, CD68, CD8, and Ki-67 staining in sections of brain and spleen. Tumors developed later and reached with a median of 126 mm³ a smaller size in the GM-CSF series compared to the controls with 150 mm³. Median survival was significantly longer in the treated group (35 days) compared with the control group (24 days). In addition, histological workup of the tumors showed significantly more macrophages in the tumor tissue. Stimulation of macrophages by GM-CSF in the rodent C6 glioma model resulted in reduced and delayed tumor growth. Treated animals survived significantly longer than in the control group. The current data confirm the important role of innate immune defense by macrophages in the control of tumor growth in experimental gliomas. Macrophage activation had a marked effect on tumor growth. Macrophages as representatives of the innate immune system have been underestimated in their role of tumor control.

Experimentelle Studien zeigten, dass durch die perioperative, intraperitoneale Therapie antiadhärenter und zytotoxischer Substanzen das intra- und extraperitoneale Tumorwachstum nach Operationen vermindert werden kann. Nach intraperitonealen und subkutanen Applikationen von 104 Tumorzellen (DHD/K12/TRb) wurden BD IX Ratten in 14 Gruppen randomisiert: 7 Gruppen wurden mit CO2 laparoskopiert und 7 konventionell operiert. Die Operationszeiten betrugen 30 Minuten. Am Ende der Intervention wurde Ringerlösung, Taurolidin oder Taurolidin/Heparin intraperitoneal oder in die V. femoralis appliziert. Die Veränderungen des Differentialblutbildes auf das Operationstrauma und auf die Applikation der therapeutischen Substanzen wurden ermittelt. Taurolidin und die zusätzliche Therapie mit Heparin reduzierten im Tierexperiment nach intraperitonealer sowie simultaner intraperitonealer und intravenöser Therapie das intraperitoneale Tumorwachstum und die Inzidenz von Trokar- beziehungsweise Inzisionsmetastasen. Die intravenöse Therapie von Taurolidin und der Kombination aus Taurolidin/Heparin hatte keinen tumorsupprimierenden Effekt. Die Verschiebungen der Leukozytenzahlen des Differentialblutbildes wurden hauptsächlich durch das Operationstrauma bewirkt. In diesem Tierversuch wurden nach der Therapie mit Taurolidin und der Kombination mit Heparin keine Nebenwirkungen beobachtet. / Following subcutaneous and intraperitoneal injection of 104 colon adenocarcinoma cells (DHD/K12/TRb) the influences of both taurolidine or taurolidine/heparin on intraperitoneal and subcutaneous tumor growth was investigated in 210 rats undergoing midline laparotomy or insufflation with carbon dioxide. The animals were randomized into 14 groups. To investigate the intraperitoneal (local) influence of either taurolidine or heparin on tumor growth the substances were applied intraperitoneally. Systemic and intraperitoneal effects were evaluated after intravenous injection of the substances. Both application forms were also combined to analyze synergistic effects. Tumor weights, as well as the incidence of abdominal wound metastases were determined four weeks after the intervention. In order to evaluate the effects of the agents blood was taken to determine the peripheral leukocytes counts. Intraperitoneal therapy of either taurolidine or in combination with heparin inhibits local tumor growth and abdominal wound recurrences in rats undergoing midline laparotomy or insufflation with carbon dioxide. Neither the intraperitoneal nor the intravenous application or the combination of the two agents did influence the subcutaneous tumor growth. The substances did not alter the changes of peripheral leukocytes.

Brustkrebs ist die häufigste Krebstodesursache bei Frauen in den Industrienationen mit einer jährlich ansteigenden Neuerkrankungsrate (Senn und Niederberger 2002). Durch vorangegangene Untersuchungen wurde bereits deutlich, dass das Peptidhormon Relaxin unter in vitro Bedingungen maßgeblich zur Tumorprogression von Mammakarzinomen beiträgt (Binder et al. 2002). Die vorliegende Arbeit hat untersucht, ob Relaxin diese Wirkung auch in vivo auf Mammakarzinome ausübt. Relaxin ist ein multifunktionales Hormon. Es ist ein Aktivator verschiedenerWachstumsund Transkriptionsfaktoren (Samuel et al. 2007a) und nimmt eine Schlüsselfunktion im Bindegewebsstoffwechsel ein, indem es durch eine Steigerung der MMP-Expression zur bindegewebigen Erweichung führt (Unemori et al. 1996). Im Krebsgeschehen schafft das Peptidhormon damit die Voraussetzungen für Tumorwachstum und Metastasierung (Bingle et al. 2002). Für die Fragestellung der vorliegenden Arbeit wurde das Brustkrebsmodell der BalbneuT- Maus eingesetzt, die aufgrund der transgenen HER2-Überexpression spontan Mammakarzinome entwickelt. Es wurden 45 weibliche Tiere mit beginnendem Wachstum von Mammatumoren auf eine Relaxin- (n=22) und eine Kontrollgruppe (n=23) aufgeteilt. Den Tieren wurde über eine unter das Nackenfell implantierte osmotische Minipumpe (Fa. Alzet, Modell 2004; Kupertura, Kanada) im Falle der Relaxin-Gruppe Relaxin und im Falle der Kontrollgruppe isotone Natriumchloridlösung verabreicht. Danach wurden die Tiere 10-49 Tage beobachtet und daraufhin eingeschläfert. Es wurden die Tumoren, Biopsien von Leber, Lunge und Nieren sowie Blutproben entnommen. Um beurteilen zu können, ob die Tumoren der Relaxin-behandelten Tiere ein schnelleres Wachstum zeigten, wurden Tumorvolumina und -gewichte zu den unterschiedlichen Tötungszeitpunkten erfasst. Weiterhin wurden im Tumorgewebe immunhistochemisch der Proliferationsmarker Ki67, der Makrophagenmarker MAC 387, der Relaxinrezeptor RXFP1 sowie die Steroidhormonrezeptoren für 17!-Östradiol (ER) und Progesteron (PR) bestimmt. Zusätzlich wurde die RXFP1-spezifische mRNA molekularbiologisch im Tumorgewebe dargestellt. Außerdem wurden die peripheren Hormonkonzentrationen von Relaxin, 17!-Östradiol (E2) und Progesteron (P4) ermittelt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnten den Beweis erbringen, dass Relaxin auch in vivo dasWachstum von Mammakarzinomen unterstützt. Relaxin bewirkte im vorliegenden Experiment eine Rekrutierung von Tumor-assoziierten Makrophagen (TAMs) ins tumorumgebenden Bindegewebe. Dadurch erfolgte dort die Synthese verschiedener Faktoren und Enzyme, welche zur bindegewebigen Erweichung, Apoptosehemmung und zu einer gesteigerten Zellproliferation führten (Bingle et al. 2002; Devetzi et al. 2008). Weiterhin induzierte die exogene Relaxingabe eine vermehrte E2-Synthese, was sich ebenfalls wachstumsfördernd und apoptosehemmend auswirkte und somit die Tumorproliferation unterstützt hat (Catalano et al. 2009; Lewis-Wambi und Jordan 2009). Die Expression des RXFP1 im Tumorgewebe wurde durch Relaxin über eine gesteigerte E2- Synthese (Wilson et al. 2008) gefördert, ebenso wie die Expression des ER. Weiterhin führte Relaxin zu einer gesteigerten P4-Synthese und zur gesteigerten Expression des PR im Tumorgewebe über einen derzeit noch unbekannten Mechanismus. Aufgrund der maßgeblichen Bedeutung des Peptidhormons für das Progressionsverhalten von Mammakarzinomen kann die Bestimmung der Relaxinblutspiegel bei Brustkrebspatientinnen deshalb in Zukunft ein wichtiges Hilfsmittel bei der Wahl der richtigen Therapie und bei der Prognosebeurteilung werden.

Brustkrebs ist die häufigste Krebstodesursache bei Frauen in den Industrienationen mit einer jährlich ansteigenden Neuerkrankungsrate (Senn und Niederberger 2002). Durch vorangegangene Untersuchungen wurde bereits deutlich, dass das Peptidhormon Relaxin unter in vitro Bedingungen maßgeblich zur Tumorprogression von Mammakarzinomen beiträgt (Binder et al. 2002). Die vorliegende Arbeit hat untersucht, ob Relaxin diese Wirkung auch in vivo auf Mammakarzinome ausübt. Relaxin ist ein multifunktionales Hormon. Es ist ein Aktivator verschiedenerWachstumsund Transkriptionsfaktoren (Samuel et al. 2007a) und nimmt eine Schlüsselfunktion im Bindegewebsstoffwechsel ein, indem es durch eine Steigerung der MMP-Expression zur bindegewebigen Erweichung führt (Unemori et al. 1996). Im Krebsgeschehen schafft das Peptidhormon damit die Voraussetzungen für Tumorwachstum und Metastasierung (Bingle et al. 2002). Für die Fragestellung der vorliegenden Arbeit wurde das Brustkrebsmodell der BalbneuT- Maus eingesetzt, die aufgrund der transgenen HER2-Überexpression spontan Mammakarzinome entwickelt. Es wurden 45 weibliche Tiere mit beginnendem Wachstum von Mammatumoren auf eine Relaxin- (n=22) und eine Kontrollgruppe (n=23) aufgeteilt. Den Tieren wurde über eine unter das Nackenfell implantierte osmotische Minipumpe (Fa. Alzet, Modell 2004; Kupertura, Kanada) im Falle der Relaxin-Gruppe Relaxin und im Falle der Kontrollgruppe isotone Natriumchloridlösung verabreicht. Danach wurden die Tiere 10-49 Tage beobachtet und daraufhin eingeschläfert. Es wurden die Tumoren, Biopsien von Leber, Lunge und Nieren sowie Blutproben entnommen. Um beurteilen zu können, ob die Tumoren der Relaxin-behandelten Tiere ein schnelleres Wachstum zeigten, wurden Tumorvolumina und -gewichte zu den unterschiedlichen Tötungszeitpunkten erfasst. Weiterhin wurden im Tumorgewebe immunhistochemisch der Proliferationsmarker Ki67, der Makrophagenmarker MAC 387, der Relaxinrezeptor RXFP1 sowie die Steroidhormonrezeptoren für 17!-Östradiol (ER) und Progesteron (PR) bestimmt. Zusätzlich wurde die RXFP1-spezifische mRNA molekularbiologisch im Tumorgewebe dargestellt. Außerdem wurden die peripheren Hormonkonzentrationen von Relaxin, 17!-Östradiol (E2) und Progesteron (P4) ermittelt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnten den Beweis erbringen, dass Relaxin auch in vivo dasWachstum von Mammakarzinomen unterstützt. Relaxin bewirkte im vorliegenden Experiment eine Rekrutierung von Tumor-assoziierten Makrophagen (TAMs) ins tumorumgebenden Bindegewebe. Dadurch erfolgte dort die Synthese verschiedener Faktoren und Enzyme, welche zur bindegewebigen Erweichung, Apoptosehemmung und zu einer gesteigerten Zellproliferation führten (Bingle et al. 2002; Devetzi et al. 2008). Weiterhin induzierte die exogene Relaxingabe eine vermehrte E2-Synthese, was sich ebenfalls wachstumsfördernd und apoptosehemmend auswirkte und somit die Tumorproliferation unterstützt hat (Catalano et al. 2009; Lewis-Wambi und Jordan 2009). Die Expression des RXFP1 im Tumorgewebe wurde durch Relaxin über eine gesteigerte E2- Synthese (Wilson et al. 2008) gefördert, ebenso wie die Expression des ER. Weiterhin führte Relaxin zu einer gesteigerten P4-Synthese und zur gesteigerten Expression des PR im Tumorgewebe über einen derzeit noch unbekannten Mechanismus. Aufgrund der maßgeblichen Bedeutung des Peptidhormons für das Progressionsverhalten von Mammakarzinomen kann die Bestimmung der Relaxinblutspiegel bei Brustkrebspatientinnen deshalb in Zukunft ein wichtiges Hilfsmittel bei der Wahl der richtigen Therapie und bei der Prognosebeurteilung werden.

Lokale Invasion und Ausbreitung von Tumorzellen entlang von Nerven und Gefäßen limitieren den Erfolg kurativer Therapien von Patienten mit Pankreaskarzinom (PDAC). Der axon guidance Faktor Slit2 und seine Robo-Rezeptoren steuern die Navigation von Nerven und Gefäßen sowie die Motilität von Epithelzellen. Sie stellen somit attraktive Regulatoren der klinisch bedeutsamen Ausbreitungswege des PDAC dar. Zielsetzung der vorgelegten Arbeit war die Charakterisierung der Expression von Slit2 im PDAC und seiner Funktion für Tumorwachstum und -ausbreitung. Quantitative Analysen belegten eine deutliche Reduktion der Slit2 mRNA Expression in humanen PDAC Proben im Vergleich zu gesundem Gewebe. Zudem korrelierten Slit2 mRNA-Werte unterhalb des Medians mit einer höheren Inzidenz lymphatischer Metastasierung und einem gesteigerten Prozentsatz befallener Lymphknoten. Die Slit2-Rezeptoren Robo1 und 4 wiesen hingegen vergleichbare Immunreaktivität im Tumor und gesundem Gewebe auf, wobei eine differentielle Lokalisation in Epithelien, Nerven und Gefäßen zu beobachten war. Die Re-Expression von Slit2 in Slit2-defizienten Zelllinien führte zu einer Hemmung der gerichteten Migration und Invasion. Der Robo1-Rezeptor knockdown hingegen stimulierte die Motilität von Tumorzellen mit endogener Slit2 Expression. Slit2-konditioniertes Medium aus Tumorzellen hemmte die Lamellipodienbildung und die Migration von Endothelzellen. In orthotopen humanen Xenograft-Modellen und einem murinen, syngenen Tumormodell reduzierte die Re-Expression von Slit2 in PDAC Zellen Tumorwachstum, Invasion, Metastasierung und Angiogenese. Zudem verminderte die Induktion von Slit2 in PDAC Zellen deren gerichtete Migration entlang aussprießender Neuriten in einem ex vivo Model. Die vorliegenden Daten weisen Slit2 die Funktion eines Tumorsuppressors im duktalen Pankreaskarzinom zu. Ein Verlust der Slit2-Robo Aktivität könnte somit Metastasierung und neuronale Invasion fördern und einen aggressiveren Phänotyp begünstigen. / Early dissemination of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) via vascular routes and neural invasion limits curative therapy, suggesting a central role for the interaction of tumor cells with blood vessels and nerves in the tumor stroma. Slit2 and its Robo receptors constitute a system of guidance cues that function in axon guidance, angiogenesis and epithelial morphogenesis, respectively. Here, we studied the expression of Slit2 in PDAC and its function for tumor growth and dissemination. Slit2 mRNA expression was reduced in specimens of human PDAC as compared to non-transformed pancreas and low Slit2 mRNA expression correlated with a higher incidence and a higher extent of lymphatic metastasis. In contrast, the Slit2 receptors Robo1 and Robo4 were uniformly present in clinical samples of PDAC and healthy pancreas and displayed differential localization on epithelial tumor cells, nerves and tumor vasculature. Stable or inducible re-expression of Slit2 in Slit2-deficient PDAC cell lines inhibited directed migration and invasion. Conversely, Robo1-knockdown stimulated the motility of PDAC cells with endogenous Slit2 expression. Tumor cell derived Slit2, furthermore, suppressed lamellipodia formation and migration of primary endothelial cells. In vivo studies in orthotopic human xenograft and mouse syngeneic pancreatic cancer models revealed that re-expression of Slit2 in PDAC cells inhibited tumor growth, invasion, metastasis and angiogenesis. In addition, induction of Slit2 in PDAC cells impaired the unidirectional migration along outgrowing neurites in ex vivo co-cultures of tumor cells and dorsal root ganglia. These data provide evidence for a functional role of Slit2 as a tumor suppressor in human PDAC. A loss of Slit2-Robo activity as observed in human PDAC samples, might consequently promote metastasis and neural invasion and favors a more aggressive phenotype.

At the forefront of cancer treatment development and evaluation, three-dimensional Tumour Spheroid Control Experiments play a pivotal role in the battle against cancer. Conducting and evaluating in vitro experiments are time-consuming processes. This thesis details the development, implementation, and validation of an algorithmic model that classifies spheroids as either controlled or relapsed by assessing the success of their treatments based on criteria rooted in biological insights. The introduction of this model is crucial for biologists to accurately and efficiently predict treatment efficacy in 3D in vitro experiments. The motivation for this research is driven by the need to improve the objectivity and efficiency of treatment outcome evaluations, which have traditionally depended on manual and subjective assessments by biologists. The research involved creating a comprehensive dataset from multiple 60-day in vitro experiments by combining data from various sources, focusing on the growth dynamics of tumour spheroids subjected to different treatment regimens. Through preprocessing and analysis, growth characteristics were extracted and utilized as input features for the model. A feature selection and optimization technique was applied to refine the software model and improve its predictive accuracy. The model is based on a handful of comprehensive criteria, calibrated by employing a grid search mechanism for hyperparameter tuning to optimize accuracy. The validation process, conducted via independent test sets, confirmed the model’s capability to predict treatment outcomes with a high degree of reliability and an accuracy of about 99%. The findings reveal that algorithmic classification models can make a significant contribution to the standardization and automation of treatment efficacy assessment in tumour spheroid experiments. Not only does this approach reduce the potential for human error and variability, but it also provides a scalable and objective means of evaluating treatment outcomes.:1 Introduction 1.1 Background and Motivation 1.2 Biological Background 1.3 Iteration Methodology 1.4 Objective of the Thesis 2 Definition of basic Notation and Concepts 2.1 Time Series Analysis 2.2 Linear Interpolation 2.3 Simple Exponential Smoothing 2.4 Volume of a Spheroid 2.5 Heavyside Function 2.6 Least Squares Method 2.7 Linear Regression 2.8 Exponential Approximation 2.9 Grid Search 2.10 Binary Regression 2.11 Pearson Correlation Coefficient 3 Observation Data 3.1 General Overview 3.1.1 Structure of the Data 3.1.2 Procedure of Data Processing using 3D-Analysis 3.2 Data Engineering 3.2.1 Data Consolidation and Sanitization 3.2.2 Extension and Interpolation 3.2.3 Variance Reduction 4 Model Development 4.1 Modeling of Various Classification-Relevant Aspects 4.1.1 Primary Criteria 4.1.2 Secondary Criteria 4.1.3 Statistical Learning Approaches 4.2 Day of Relapse Estimation 4.3 Model Implementation 4.3.1 Combination of Approaches 4.3.2 Implementation in Python 4.4 Model Calibration 4.4.1 Consecutive Growth 4.4.2 Quintupling 4.4.3 Secondary Criteria 4.4.4 Combined Approach 5 Model Testing 5.1 Evaluation Methods 5.1.1 Applying the Model to New Data 5.1.2 Spheroid Control Probability 5.1.3 Kaplan-Meier Survival Analysis 5.1.4 Analysis of Classification Mismatches 5.2 Model Benchmark 5.2.1 Comparison to Human Raters 5.2.2 Comparison to Binary Regression Model 5.3 Robustness 5.3.1 Test using different Segmentation 5.3.2 Feature Reduction 5.3.3 Sensitivity 5.3.4 Calibration Templates 6 Discussion 6.1 Practical Application Opportunities 6.2 Evaluation of the Algorithmic Model 6.3 Limitations 7 Conclusion 7.1 Summary 7.2 Future Research Directions / Dreidimensionale Experimente zur Kontrolle von Tumorsphäroiden sind zentral für die Entwicklung und Evaluierung von Krebstherapien. Die Durchführung und Auswertung von In-vitro-Experimenten ist jedoch zeitaufwendig. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Implementierung und Validierung eines algorithmischen Modells zur Einstufung von Sphäroiden als kontrolliert oder rezidivierend. Das Modell bewertet den Behandlungserfolg anhand biologisch fundierter Kriterien. Diese Innovation ist entscheidend für die präzise und effiziente Vorhersage der Wirksamkeit von Behandlungen in 3D-In-vitro-Experimenten und zielt darauf ab, die Objektivität und Effizienz der Beurteilung von Behandlungsergebnissen zu verbessern, die traditionell von manuellen, subjektiven Einschätzungen der Biologen abhängen. Die Forschung umfasste die Erstellung eines umfassenden Datensatzes aus mehreren 60-tägigen In-vitro-Experimenten, bei denen die Wachstumsdynamik von Tumorsphäroiden unter verschiedenen Behandlungsschemata untersucht wurde. Durch Vorverarbeitung und Analyse wurden Wachstumscharakteristika extrahiert und als Eingangsmerkmale für das Modell verwendet. Das Modell basiert auf wenigen umfassenden Kriterien, die mithilfe eines Gittersuchmechanismus zur Abstimmung der Hyperparameter kalibriert wurden, um die Genauigkeit zu optimieren. Der Validierungsprozess bestätigte die Fähigkeit des Modells, Behandlungsergebnisse mit hoher Zuverlässigkeit und einer Genauigkeit von etwa 99 % vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigen, dass algorithmische Klassifizierungsmodelle einen wesentlichen Beitrag zur Standardisierung und Automatisierung der Bewertung der Behandlungseffektivität in Tumorsphäroid-Experimenten leisten können. Dieser Ansatz verringert nicht nur das Potenzial für menschliche Fehler und Schwankungen, sondern bietet auch ein skalierbares und objektives Mittel zur Bewertung von Behandlungsergebnissen.:1 Introduction 1.1 Background and Motivation 1.2 Biological Background 1.3 Iteration Methodology 1.4 Objective of the Thesis 2 Definition of basic Notation and Concepts 2.1 Time Series Analysis 2.2 Linear Interpolation 2.3 Simple Exponential Smoothing 2.4 Volume of a Spheroid 2.5 Heavyside Function 2.6 Least Squares Method 2.7 Linear Regression 2.8 Exponential Approximation 2.9 Grid Search 2.10 Binary Regression 2.11 Pearson Correlation Coefficient 3 Observation Data 3.1 General Overview 3.1.1 Structure of the Data 3.1.2 Procedure of Data Processing using 3D-Analysis 3.2 Data Engineering 3.2.1 Data Consolidation and Sanitization 3.2.2 Extension and Interpolation 3.2.3 Variance Reduction 4 Model Development 4.1 Modeling of Various Classification-Relevant Aspects 4.1.1 Primary Criteria 4.1.2 Secondary Criteria 4.1.3 Statistical Learning Approaches 4.2 Day of Relapse Estimation 4.3 Model Implementation 4.3.1 Combination of Approaches 4.3.2 Implementation in Python 4.4 Model Calibration 4.4.1 Consecutive Growth 4.4.2 Quintupling 4.4.3 Secondary Criteria 4.4.4 Combined Approach 5 Model Testing 5.1 Evaluation Methods 5.1.1 Applying the Model to New Data 5.1.2 Spheroid Control Probability 5.1.3 Kaplan-Meier Survival Analysis 5.1.4 Analysis of Classification Mismatches 5.2 Model Benchmark 5.2.1 Comparison to Human Raters 5.2.2 Comparison to Binary Regression Model 5.3 Robustness 5.3.1 Test using different Segmentation 5.3.2 Feature Reduction 5.3.3 Sensitivity 5.3.4 Calibration Templates 6 Discussion 6.1 Practical Application Opportunities 6.2 Evaluation of the Algorithmic Model 6.3 Limitations 7 Conclusion 7.1 Summary 7.2 Future Research Directions