Trotz hochmoderner Technologien und ausgefeilter therapeutischer und rekonstruktiver chirurgischer Heilungsmethoden beträgt die 5-Jahres Überlebensrate bei der Diagnose PECA der Mundhöhle im Durchschnitt auch im Jahre 2017 nur 55 % und die Heilungsmethoden haben sich in den letzten drei Jahrzehnten kaum verbessert. Umso wichtiger ist es deshalb, die Forschung voranzutreiben und ein aussagekräftiges Tumormodell zu etablieren, das bei der Entwicklung neuer Therapieansätze schnell und sicher gute Ergebnisse liefert.
In dieser Studie soll mit Hilfe des Tissue Engineering (TE) ein in gesunder Mundschleimhaut (MSH) integriertes 3D-Tumormodell generiert werden, welches bestmöglich die Analyse pathologischer Mechanismen im Tumorzentrum, sowie im Randbereich von gesundem und erkranktem Gewebe, und auch die Analyse der Auswirkungen neuartiger Chemotherapeutika auf gesunde und maligne Zellen in direkter Nachbarschaft ermöglicht – ohne Tierversuche. In der Konsequenz könnte ein erheblicher Fortschritt mit höheren Erfolgsaussichten der Therapieansätze erzielt werden.
Es wird ein Tumormodell generiert, in dem auf Basis eines gesunden MSH-Modells Tumorzellen eingebracht werden, um - genauso, wie die Tumorentstehung in vivo von statten gehen würde – Tumorentstehung und Tumorwachstum in der Umgebung von gesunder MSH analysieren zu können. Das Modell basiert dabei auf einer Matrix aus dezellularisierter, porciner, small-intestinal-submucosa (SIS/MUC), die mit primären Fibroblasten, primären Keratinozyten und Tumorzellen der Tumorzelllinie FaDu besiedelt wird. Eine Besonderheit der FaDu-Zellen ist die vorangegangene Transduktion mit dem Lentivirus RFP – um die eingewanderten Zellen von gesunden Zellen unterscheiden zu können. Der Vorgang der Transduktion war gelungen und es konnte eine Fluoreszenz der noch in Zellkulturschalen kultivierten Zellen erzielt werden. Allerdings waren die fluoreszierenden Zellen in den fixierten Schnitten nicht mehr nachweisbar.
Zur Generierung eines Tumormodelles wurden auf Basis eines OMÄ drei unterschiedliche Applikationsformen zur Integration von Tumorzellen getestet. Die Integration von Tumorzellen fand in Form von Spots, Sphäroiden oder Tumorzellgemischen (prim. Keratinozyten/FaDu-Zellen) in zuvor kultivierte gesunde OMÄ statt. Dabei sollte das Applizieren von Spots oder Sphäroiden das Tumorzellwachstum auch in der Umgebung von gesundem Gewebe initiieren. Dies würde die Möglichkeit schaffen, auch in vitro, gesundes neben pathologischem Gewebe und den Übergang dazu genau analysieren zu können.
Es sollen sowohl die optimale Konzentration der Tumorzellen, welche für die Entstehung von Tumoren nötig ist, als auch die geeignetste Applikationsmethode eruiert werden, um optimale Tumormodelle zuverlässig reproduzierbar ansetzen zu können. Die Modelle wurden histologisch und immunhistochemisch analysiert und die Ergebnisse mit ermittelten TEER-Werte in Korrelation gesetzt.
In dieser Arbeit konnte mit der Applikation von Spots oder Sphäroiden kein suffizientes Tumorwachstum in Umgebung von gesunder MSH erzielt werden. Die Zellen lagen ohne Reaktion des angrenzenden Stratum corneums auf der zu stark ausgeprägten Hornschicht der OMÄ auf und es war keine Einwanderung in das darunterliegende Gewebe möglich.
Allerdings ist es gelungen, durch Applikation eines Zellgemisches variierender Mischungsverhältnisse von primären Keratinozyten und Tumorzellen der Zelllinie FaDu ein 3D-Tumorwachstum unterschiedlicher Malignitätsstufen zu initiieren. Je kleiner das Mischungsverhältnis und je höher in der Konsequenz die Anzahl der FaDu-Tumorzellen, desto ausgeprägter waren die morphologischen Anzeichen einer Tumorbildung. Abhängig vom Mischungsverhältnis war dabei die Ausprägung des Tumors. Auch wenn dadurch keine Kombination von gesundem und pathologischem Gewebe in einem Modell mehr imitiert werden konnte, so konnten zumindest nach histologischen und immunhistochemischen Untersuchungen eindeutige pathologische, maligne Tumormodelle generiert werden. Die Tumormodelle zeigten durchgehend Zell- und Kernpleomorphismen, atypische und vermehrte suprabasale Mitosen, eine Störung der normalen Gewebearchitektur, die Ausbildung von Interzellularbrücken, Einzelzelldyskeratosen und Verhornungsknospen, sowie Stellen der Durchbrechung der Basalmembran und Invasion von Tumorzellen in die darunterliegende Lamina propria. All das sind eindeutige Kennzeichen malignen Wachstums
Auch die Ergebnisse der TEER-Wert Messung stimmten mit den morphologischen Entwicklungen der Modelle überein. So stiegen die TEER-Werte der Kontrollmodelle konsequent an, was für eine deutliche Entwicklung von kontinuierlichem Gewebe spricht und im Gegensatz dazu fielen die TEER-Werte im zeitlichen Verlauf der Tumormodelle, bei denen die Basalmembran und somit die Kontinuität des Gewebes durchbrochen wurde rapide ab, bzw. lagen im konstant niedrigen Bereich.
Der Erfolg der Etablierung dieses zuverlässig rekonstruierbaren 3D, in vitro generierten Tumormodells, das der in vivo Situation eines Plattenepithelkarzinoms sehr nahekommt, bietet der Wissenschaft eine sehr gute Möglichkeit, weitere Studien zum Tumorwachstum durchzuführen. Außerdem kann die Weiterentwicklung und Verbesserung vielversprechender, neuartiger chemotherapeutischer und radiologischer Therapieverfahren erheblich voran¬getrieben und dadurch die Heilungschancen mit geringeren Nebenwirkungen für den Patienten verbessert und eine erhöhte Lebensqualität erzielt werden. / Despite state-of-the-art technologies and sophisticated therapeutic and reconstructive surgical methods, the average 5-year survival rate of patients diagnosed with oral squamous cell carcinoma (OSCC) is still only 55% in 2017. Healing methods have barely improved over the last three decades. Therefore, it is important to establish a meaningful tumour model that delivers fast and reliable results in the development of new therapeutic approaches.
In this study, Tissue Engineering is used to generate a three-dimensional tumour model integrated into healthy oral mucosa. This enables an ideal analysis of pathological mechanisms in the tumour center, as well as in the margins of healthy and diseased tissue. It also allows the analysis of the effects of novel chemotherapeutic agents on healthy and malignant cells in proximity - without animal testing. Consequently, a considerable progress could be achieved with a higher chance of success of therapeutic approaches. A tumour model, based on a healthy oral mucosa equivalent (OME), is generated in which tumour cells are integrated in order to be able to analyse tumourigenesis and tumour growth in the environment of healthy oral mucosa just as the tumour development would take place in vivo. For this primary fibroblasts, primary keratinocytes and tumour cells were cultured on a matrix of decellularized, porcine, small intestinal submucosa (SIS/MUC). For this FaDu cells were transduced with the lentivirus RFP to be able to distinguish the immigrated cells from healthy cells. The transduction was successful. It was possible to achieve a fluorescence of the cells still cultivated in cell culture dishes. However, the fluorescent cells could no longer be detected in the fixed tissue sections. For the tumour model three different forms of application of the tumour cells on the OMEs have been tested. The application of cell-spots, spheroids or cell mixtures of primary keratinocytes and FaDu tumour cells in previously cultivated OME. The application of spots or spheroids should initiate tumour cell growth even in the environment of healthy tissue. This would enable the in vitro analysation of the area of healthy and pathological tissue in one model. Therefore, the optimal concentration of tumour cells, which is necessary for the tumour development, and the most suitable application method are to be determined to be able to apply a suitable reproducible tumour model. The models were analysed histologically and immunohistochemically, and the results were correlated with determined TEER values.
In this work, the application of spots or spheroids did not achieve tumour growth in the environment of healthy oral mucosa. The cells were not responsive to the adjacent stratum corneum on the highly pronounced horn layer of the OME and no migration into the underlying tissue was possible. However, by applying a cell mixture of varying mixing ratios of primary keratinocytes and tumour cells of the FaDu cell line, it has been possible to initiate 3D tumour growth of different malignant stages. The smaller the mixing ratio and the higher the number of FaDu tumour cells, the more pronounced have been the morphological signs of tumour formation. Even if it was no longer possible to mimic a combination of healthy and pathological tissue in a model, clear pathological, malignant tumour models could be generated at least after histological and immunohistochemical investigations. The tumour models consistently showed cellular- and nuclearpleomorphisms, atypical and increased suprabasal mitoses, disruption of normal tissue architecture, the formation of intercellular bridges, single cell dyskeratosis and cornification buds, as well as sites of disruption of the basement membrane and invasion of tumour cells into the underlying lamina propria. All these are clear signs of malignant growth.
The results of the TEER value measurement were also consistent with the morphological developments of the models. Thus, the TEER values of the control models rose consistently, which indicates a significant development of continuous tissue. In contrast, the TEER values over the course of time of the tumour models, in which the basal membrane and thus the continuity of the tissue was broken, fell rapidly or were in a constantly low range.
The success of the establishment of this reliably reconstructable 3D, in vitro generated tumour model, which is very close to the in vivo situation of a squamous cell carcinoma, offers the science a very good opportunity to carry out further studies on tumour growth.
In addition, the further development and improvement of promising, novel chemotherapeutic and radiological therapy methods can be considerably advanced, thereby improving the chances of recovery with fewer side effects for the patient and achieving an increased quality of life.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:18551 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Mineif, Anna Teresa |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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