In der folgenden Arbeit beschreiben wir die aufeinanderfolgenden Schritte, die für die Errichtung einer großen Biobank von Dickdarm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs notwendig sind.
Angesichts des wachsenden Wissens über die interindividuellen Eigenschaften und heterogenität von Krebserkrankungen erfordert das aufkommende Feld der personalisierten Medizin eine Plattform für präklinische Forschung. In den letzten Jahren haben wir eine Biobank von Dickdarm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs gegründet, die aus primärem Tumorgewebe, normalem Gewebe, Seren, isolierten peripheren Blutlymphozyten (PBL), patientenabgeleiteten Xenografts (PDX) sowie primären und sekundären Krebszelllinien besteht. Da das ursprüngliche Tumorgewebe begrenzt ist und die Etablierungsrate der primären Krebszelllinien immer noch relativ niedrig ist, ermöglicht PDX nicht nur die Erhaltung und Erweiterung der Biobank, sondern auch die Erzeugung von sekundären Krebszelllinien. Darüber hinaus haben sich PDX-Modelle als das ideale In-vivo-Modell für präklinische Arzneimitteltests erwiesen. Biobanking erfordert jedoch eine sorgfältige Vorbereitung, strenge Richtlinien und eine gut abgestimmte Infrastruktur. Colektomie, Duodenopanatomie oder resezierte Metastasenproben werden unmittelbar nach der Resektion gesammelt und in die Pathologieabteilung übertragen. Unter Berücksichtigung der Priorität eines unvoreingenommenen histopathologischen Berichts werden nach Ermessen des behandelnden Pathologen, der die Sezierungen durchführt, kleine Tumorstücke und Nicht-Tumorgewebe geerntet.
Nekrotische Teile werden verworfen und das verbleibende Tumorgewebe in kleine, identische Würfel geschnitten und für den späteren Gebrauch kryokonserviert. Zusätzlich wird ein kleiner Teil des Tumors gehackt und für die primäre Krebszellkultur belastet. Zusätzlich werden Blutproben, die vom Patienten vor- und postoperativ entnommen werden, verarbeitet, um Serum und PBLs zu erhalten. Für die PDX-Engraftment werden die kryokonservierten Proben aufgetaut und subkutan in die Flanken immundefiziierter Mäuse implantiert. Das resultierende PDX rekapituliert die Histologie der “Spender”-Tumoren eng und kann entweder für die nachfolgende Xenogtransplantation oder kryopreserviert für die spätere Anwendung verwendet werden. In der folgenden Arbeit beschreiben wir die einzelnen Schritte der Schaffung, Wartung und Verabreichung einer großen Biobank von Dickdarm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs. Darüber hinaus weisen wir auf die entscheidenden Details und Vorbehalte im Zusammenhang mit dem Biobanking hin.
In den letzten Jahren führte das angesammelte Wissen über die morphologischen, klinischen und genetischen Eigenschaften von Krebs zur Empfängnis als heterogene, individuelle Krankheit. Folglich hat die mutationale Charakterisierung von Neoplasmen neben klinischen und pathologischen Merkmalen an Bedeutung für die klinische Entscheidungsfindung gewonnen und viele gezielte Therapien wurden für verschiedene molekulare Veränderungen entwickelt. Zum Beispiel kann die Wirksamkeit von Cetuximab in der Darmkrebsbehandlung durch die Analyse des KRAS- und PIK3CA-Mutationsstatus 1vorhergesagt werden. Die Präzisionsmedizin zielt auf einen maßgeschneiderten Ansatz ab, um bei jedem Patienten die höchste Behandlungsreaktion zu bieten und Toxizität von inefficacious Therapien zu vermeiden2. Biobanken enthalten Gewebe, Blut und andere biologische Materialien von Krebspatienten, die mit den klinischen Daten verknüpft sind und somit ein hervorragendes Werkzeug für die translationale Krebsforschung sind. Aufgrund der großen Anzahl klinischer Proben ermöglichen Biobanken den Nachweis seltener, aber potenziell medikamentöser Mutationen, was dem einzelnen Patienten neue Behandlungsmöglichkeiten bietet3.
Um ein möglichst breites onkologisches Forschungsspektrum abzudecken, haben wir unsere Aktivität bei der Probenentnahme nicht allein eingeschränkt, sondern uns auf die Etablierung von vom Patienten abgeleiteten Krebszelllinien und Xenografts (PDX) konzentriert. Traditionelle 2D-Zelllinien bleiben der Eckpfeiler der In-vitro-Forschung und sind die erste Wahl für groß angelegte Arzneimittelscreenings4,5. Darüber hinaus ist die Zelllinienanalyse oft einfacher, billiger und leichter verfügbar. Da patientenabgeleitete periphere Blutlymphozyten (PBL) zur Verfügung stehen, kann auch die Tumorimmunologie in vitro6untersucht werden. Die Mehrheit der neu entwickelten Medikamente mit vielversprechender präklinischer Wirksamkeit in zellbasierten In-vitro- oder In-vivo-Experimenten haben jedoch enttäuschende Ergebnisse in klinischen Studien gezeigt7. Im Gegensatz dazu haben präklinische Studien auf basis von PDX in vivo-Studien die klinische Aktivität antineoplastischer Wirkstoffe viel getreuer widergespiegelt8. Da PDX-Gewebe die histologischen und molekularen Eigenschaften des Spendertumors genau widerspiegelt, sind PDX-Modelle eine gute Möglichkeit, die oft sehr begrenzten Mengen an lebensfähigem Tumorgewebe zu vermehren, um die Integrität einer Biobank zu erhalten und den Austausch von Proben zwischen Forschungsgruppen und Institutionen zu ermöglichen. Darüber hinaus können Aus PDX-Gewebe gewonnene Krebszelllinien deutlich einfacher festgestellt werden als primäre Krebszelllinien9. In den letzten Jahren hat unsere Arbeitsgruppe eine umfassende integrierte Biobank für Dickdarm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs eingerichtet, indem der Arbeitsablauf für alle betreffenden biologischen Proben schrittweise standardisiert und optimiert wurde (Abbildung 1).
Abbildung 1:Workflow und Organisation der Biobank Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Schaffung einer lebenden Biobank setzt neben der Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften des Datenschutzes, des Medizinrechts und des Tierschutzes eine gute Infrastruktur und ein gut koordiniertes Team voraus. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen Teil des chirurgischen Personals direkt in die Forschungsverfahren einzubeziehen, da sie sehr gut die Eignung des einzelnen Patienten für eine Gewebespende beurteilen können. Darüber hinaus neigen Patienten dazu, häufiger mit Biobanking zu vereinbaren, wenn ihre schriftliche Genehmigung im Rahmen der chirurgischen Informiertkeitsdiskussion eingeholt wird. Um Zeit und Ressourcen zu sparen, sollten Fälle, die vermutlich zu wenig Tumorgewebe führen, nicht für das Biobanking ausgewählt werden. Wenn es um den Erwerb von Exemplaren geht, ist die Maxime “Kommunikation ist der Schlüssel” eine einfache, aber oft übersehene Wahrheit. Es braucht nur eine einzige uninformierte Theaterschwester oder einen chirurgischen Kollegen, um die Probe gleich zu Beginn zu ruinieren, indem sie wie gewohnt voranschreitet und der Resektionsprobe Formaldehyd hinzufügt. Daher ist es absolut entscheidend, dass jeder einzelne Mitarbeiter das SOP für Biobanking kennenlernt. Chirurgen sollten am Vortag und direkt zu Beginn des Eingriffs über geplante Gewebeentnahme bemerkt werden. Darüber hinaus sollten Fälle, die für das Biobanking ausgewählt wurden, im elektronischen OR-Plan hervorgehoben werden. Die Gewebeentnahme aus der chirurgischen Probe sollte von einem Pathologen durchgeführt werden. Erstens wird dadurch sichergestellt, dass die Gewebeernte den endgültigen pathologischen Bericht nicht beeinträchtigt. Zweitens erhöht dies die Wahrscheinlichkeit, Gewebe mit ausreichenden Mengen an lebensfähigem Krebsgewebe zu erhalten. Vor allem bei Bauchspeicheldrüsenkrebs mit ausgeprägter desmoplastischer Reaktion und häufigen nekrotischen Bereichen sind lebensfähige Teile für das ungeübte Auge makroskopisch schwer zu identifizieren. Als Ausnahme von dieser Regel können Gewebeblöcke aus großen Leber- oder Lungenmetastasen vom Chirurgen manchmal “Back-Table” ausgeschnitten werden, wenn chirurgische Ränder makroskopisch definiert werden können. Rektalkrebs, der durch die totale mesorektale Exzision (TME) reseziert wird, ist möglicherweise nicht für Biobanking geeignet, da die Gewebeernte aus dem resezierten Exemplar vor der Paraffineinbettung die TME-Qualitätsbewertung beeinträchtigen könnte. Alternativ kann Gewebe für Biobanking durch transanale Biopsie von Rektalkrebs erworben werden.
Die Etablierungsraten für primäre Zellkulturen, die aus dem ursprünglichen Tumor abgeleitet sind, sind im Allgemeinen niedrig. PDX-abgeleitete, sekundäre Zellkulturen können mit größerer Wahrscheinlichkeit erfolgreich etabliert werden. Wir empfehlen, die Prüfung verschiedener Medien für jeden Fall und die Verwendung von Antibiotika-Ergänzungen für die ersten Passagen, um die Kontamination auf ein Minimum zu reduzieren, da das geerntete Gewebe selten steril ist. Nach erfolgreicher Vermehrung sollte jede einzelne Zelllinie durch FACS-Analyse als Krebszelllinie bestätigt und regelmäßig auf Mykoplasmenkontamination getestet werden. Um Kreuzkontaminationauszuschließen auszuschließen, ist eine regelmäßige STR-Analyse ratsam. Es sei darauf hingewiesen, dass das Gründungsprotokoll für primäre und sekundäre Zelllinien ständig optimiert wird. Einzelheiten zur Zusammensetzung und Erfolgsquote der einzelnen Medien gehen eindeutig über den Rahmen dieser Arbeit hinaus und werden gesondert veröffentlicht.
Für die PDX-Engraftment, Tumorgewebe kann entweder direkt nach resektion implantiert werden oder Kryopinserviert in fetalen Kalve Serum mit 10% DMSO oder ähnliche Gefriermedien für verzögerte Implantation. Die Implantation unmittelbar nach der Tumorgewebeernte belastet Logistik- und Laborpersonal, und die Xenografting-Ergebnisse nach der Kryokonservierung sind überhaupt nicht schlechter 10. Darüber hinaus erhöht die Inkubation des Gewebes in Matrigel vor der Tumorimplantation die Engraftmentraten signifikant12. Wir empfehlen eine verzögerte Engraftmentierung nach einem bestimmten pathologischen Befund und der sofortigen Entsorgung irrtümlich gesammelter Gewebeproben. Da die Erfolgsrate der primären Engraftment mit Immunschwäche der Empfängermaus zunimmt, neigen wir dazu, NSG-Mäuse für die allererste PDX-Passage zu verwenden. Nach der ersten erfolgreichen PDX-Transplantation können und solltenNMRI-Nu-/Nu-Mäuse für nachfolgende Passagen und Gewebeausdehnungen eingesetzt werden. Dieser Stamm ist robuster, billiger und leichter zu züchten im Vergleich zu NSG oder ähnlichen immundefizienten Stämmen, zeigt aber dennoch vernünftige Einpfroplegungsraten. Darüber hinaus erleichtert seine Nacktheit die Implantation und Tumorwachstumsüberwachung. Um die Eindrortierraten in nachfolgenden Passagen zu erhöhen, empfehlen wir, frisch geerntetes PDX-Gewebe nach Möglichkeit direkt an Wirtmäuse zu übertragen, insbesondere bei langsam wachsendem PDX und Fällen mit einer niedrigen Primärentransplantationserfolgsrate. Collins und Lang überprüften kürzlich 14 Studien der kolorektalen PDX-Einrichtung und berichteten, dass die Transplantationsraten zwischen 14 und 100% mit einer medianen PDX-Niederlassungsrate von 68% schwankten, wobei letztere mit unseren Ergebnissenübereinstimmt13. Im Einklang mit der Literatur beobachteten wir niedrigere Etablierungsraten von Bauchspeicheldrüsen im Vergleich zu Dickdarmkrebs PDX14. Unabhängig von der Wirtsmaus-Stamm und Tumor-Entität, das Wachstum des menschlichen, Epstein-Barr Virus (EBV)-assoziierten B-Zell-Lymphome und murine Lymphome auf der Implantationsseite stellt eine wichtige Falle15,16. Wenn sie nicht erkannt werden, können solche Tumoren nachfolgende Passagen “kontaminieren” und somit aufeinander folgende Ergebnisse verwirren. Ungewöhnlich schnelles PDX-Wachstum und Schwellung von Zervix-, Axillar- und Leistenlymphknoten sind starke Indikatoren für das murine Lymphomwachstum, aber eine regelmäßige histologische Untersuchung von PDX ist dennoch ratsam. Darüber hinaus sollte die genetische Konkordanz zwischen PDX und dem entsprechenden Spenderpatienten regelmäßig durch STR-Analyse getestet werden. Idealerweise sollte die Biobank mit einer klinischen Datenbank verknüpft werden, die Patientenmerkmale (allgemeine Informationen, Überleben, rückfallfreies Überleben, Therapie, sekundäre Neoplasie usw.) umfasst. Aufgrund gesetzlicher Bestimmungen zum Schutz der Privatsphäre und des Fehlens einer solchen anonymisierten Datenbank wird unser klinischer Datensatz regelmäßig von den kooperierenden Ärzten manuell verwaltet und aktualisiert.
Während konventionelle Biobanken auf die Beobachtungsforschung beschränkt sind, bietet eine lebende Biobank die Möglichkeit für In-vitro- und In-vivo-Interventionen. Patienten-abgeleitete Zelllinien sind ein wichtiges Instrument für die Grundlagenforschung, Hochdurchsatz-Arzneimittelscreenings und die Bewertung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe4. Entsprechende PDX-Modelle sind jedoch von zunehmender Bedeutung, da sie die Histologie des ursprünglichen Tumors17,18 eng rekapitulieren und eine hohe genetische Stabilität über mehrere Passagen19,20zeigen. Unsere PDX Biobank hat sich als hervorragende Plattform für präklinische und Fundamentalforschung6,21bewährt. Da große PDX-Sammlungen die interindividuelle Heterogenität der Patientenpopulation angemessen widerspiegeln, hat der PDX-Ansatz der klinischen Studie (PCT) (ein Tier pro Modell pro Behandlung) an Bedeutung für die Arzneimittelentwicklung gewonnen, da er die originalgetreue Vorhersage der klinischen Reaktion auf neue Medikamente und das kombinatorische Regime8ermöglicht. Wir evaluieren derzeit auch neue experimentelle Medikamente in kleinen PCT-Studien.
Trotz dieser vielversprechenden Ergebnisse behindert die mediane Betriebsdauer von 12,2 Monaten die klinische Anwendbarkeit von PDX-Modellen als “Avatarmäuse” zur Prüfung von Behandlungsmöglichkeiten gegen Krebs, zumindest für Patienten, die eine sofortige adjuvante oder sogar neoadjuvante Behandlung benötigen22. Ein weiterer Nachteil von Standard-PDX-Modellen ist die mangelnde Nutzbarkeit für Immuntherapietests aufgrund der Immunschwäche von Wirtsmäusen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden mehrere “humanisierte” Mausstämme entwickelt. Diese Mäuse sind stark immungeschwächt, können aber mit verschiedenen Arten von menschlichen Knochenmark-abgeleiteten Zellen oder CD34+ hämatopoetischen Stammzellen nach PDX-Auswuchs23rekonstituiert werden, was die Bewertung der lymphozyten-vermittelten Zytotoxizität und der Therapiereaktion auf die Behandlung von Immun-Checkpoint-Hemmern24,25ermöglicht.
In den letzten Jahren haben sich patientenabgeleitete Organoide (g.U.) als wichtige Krebsmodelle im Wettbewerb mit PDX herausgebildet. Diese dreidimensionalen Strukturen, die aus intakten Tumorstücken abgeleitet und in einem extrazellulären Matrixgerüst kultiviert werden, spiegeln die histologischen und genetischen Eigenschaften des ursprünglichen Tumors genau wider. Die Möglichkeit der langfristigen Expansion und Kryokonservierung macht g.A. zu einer idealen Ergänzung einer lebenden Biobank26,27. Zusätzlich zu einer relativ hohen Etablierungsrate wurde eine zuverlässige Vorhersage der Arzneimittelansprechung für die g.A. mehrerer Tumorentitäten berichtet28. Darüber hinaus wurden sogar PDOs aus zirkulierenden Tumorzellen erzeugt und auch die gleichzeitige Etablierung von Organoiden aus entsprechendem gesundem Gewebe ist möglich, was eine Beurteilung der therapiebedingten Toxizität auf Patienten-individueller Basisermöglicht 29,30. Im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkulturen ist die organoide Kultur jedoch zeitaufwändig und künstliche extrazelluläre Matrixverbindungen können bestimmte analytische Verfahren stören31. Darüber hinaus sind Krebsorganoide anfällig für Überwucherung durch schneller wachsende, nicht bösartige Organoide, die aus gesundem Epithel abgeleitet sind30. Aufgrund des Mangels an Stroma, Blutgefäßen und Immunzellen sind PDOs meist nicht anwendbar für die Prüfung von antiangiogenen Immuntherapeutika. Doch neue Kultivierungsmethoden ermöglichen die Modellierung von Tumormikroumgebungen in vitro,was PDOs zu einem echten Anwärter für PDX-Modelle32macht. In naher Zukunft werden patientenindividuelle Tumormodelle, kombiniert mit leistungsstarken genetischen Werkzeugen wie der Sequenzierung der nächsten Generation, hoffentlich den Weg zu echter Präzisionsmedizin und maßgeschneiderten Behandlungsansätzen ebnen.
The authors have nothing to disclose.
Wir würdigen Jenny Burmeister, unsere grafische Assistentin, für die Aufnahme und Bearbeitung des Videos. Darüber hinaus danken wir unseren Kollegen der chirurgischen und pathologischen Abteilung für die langjährige Zusammenarbeit. Wir danken auch Marcus Müller, Produktionsleiter des IT- und Medienzentrums der Universität Rostock, für die Lieferung der Tonaufnahmegeräte und die Verfeinerung der Klangqualität.
FINANZIERUNG: Die Deutsche Krebshilfe (DKH e.V.), Fördernummer 108446, und die Fördernummer TBI-V-1-241-VBW-084 des Landes Mecklenburg-Vorpommern haben diese Forschung teilweise finanziert.
Bacillol® AF; 1L | Bode, Hartmann | REF 973380 | desinfection |
PP centrifuge tube, 15ml; sterile | Greiner Bio One | GBO Cat. No.:188271 | centrifuge tube |
PP centrifuge tube, 50ml, sterile | Sarstedt | Order number: 62.547.254 | centrifuge tube |
BD DiscarditTM II Syringe 20ml | BD | REF 300296 | blood collection |
Serum 7,5ml Sarstedt Monovette | Sarstedt | Item number: 01.1601 | blood collection |
serological Pipette 10ml | Sarstedt | REF 86.1254.001 | liquid transfer |
Pipetboy ratiolab® accupetta | Ratiolab | Item number: RL3200300 | liquid transfer |
PIPETBOY acu 2 | Integra Biosciences | VWR Cat.No: 613-4438 | liquid transfer |
DPBS; w/o Ca & Mg | Pan Biotech | Cat. No.: P04-36500 | washing |
Pancoll human | Pan Biotech | Cat. No.: P04-60500 | density gradient centrifugation |
DMEM/F12 (Dulbecco’s Modified Eagle Medium) | PAN Biotech | Cat. No.: P04-41500 | cell cultivation |
FBS Good Forte (Filtrated Bovine Serum) | PAN Biotech | Cat. No.: P40-47500 | cell cultivation |
L-Glutamine 200mM | PAN Biotech | Cat. No.: P04-80100 | cell cultivation |
Trypsin / EDTA | PAN Biotech | Cat. No.: P10-023100 | cell cultivation |
DMSO (Dimethyl Sulfoxid for cell culture) | PanReac AppliChem | VWR Cat.No: A3672.0250 | cell freezing |
Freezer Medium (FCS with 10% DMSO) | selfmade | — | cell freezing |
cryotube- CryoPure 2ml | Sarstedt | 72380 | cell freezing |
6-Well cell culture plate; steril; with lid | Greiner bio-one | Cat.-No.: 657 160 | cell cultivation |
Petri dish 92 x 16 mm, PS, without cams | Sarstedt | Cat. No.: 82.1472.001 | tissue preparation |
sterile surgical blades | B.Braun (Aesculap) | REF BB510 | tissue preparation |
BD DiscarditTM II Syringe 10ml | BD | REF 309110 | tissue preparation |
cell strainer; yellow; 100µm | Falcon | REF 352360 | tissue preparation |
CoolCell | biocision | Item number: 210004 | cooling container with -1°C/min |
Dewar transport vessel type 27 B, 2 l, 138 mm | KGW | Cat. No.: HT39.1 | transport system |
Pipette tip 200µl | Sarstedt | REF 70.760.002 | liquid transfer |
Filter tip 1000µl | Sarstedt | REF 70.762.411 | liquid transfer |
Pipette 200µl, yellow | Eppendorf | Cat. No.: 3121 000.082 | liquid transfer |
Pipette 1000µl, blue | Eppendorf | Cat. No.: 3121 000.120 | liquid transfer |
incubator BB 6220 CU | Heraeus | Cat.-No.: 51012839 | cell cultivation |
heating plate PRÄZITHERM | Harry Gestigkeit GmbH | — | heating |
Microscope Zeiss Primo Vert | Carl Zeiss MicroImaging GmbH | Serial number. 3842000839 | imaging cell cultures |
Sterile bench Safe flow 1.8 nunc | nunc GmbH & Co. KG | — | sterile working bench |
freezer -80°C | Kryotec-Kryosafe GmbH | — | sample storage |
Electronic balance MP-300 | Chyo | — | Scale |
BD Micro-fine, U100 insulin syringe | BD | REF 324826 | injection anesthetic |
Rompun 2%; 25ml | Bayer | approval number: 6293841.00.00 | anesthesia |
Ketamin 100 mg/ml, 25ml | CP-Pharma GmbH | approval number: 401650.00.00 | anesthesia |
GES3S Reader | Datamars | not available | RFID reader |
ISO-Transponder FDX-B (1,4x8mm) | Peddymark | — | RFID chip |
Cotrim-ratiopharm® Ampullen SF 480 mg/5 ml | Ratiopharm | PZN-03928197 | antibiotic drinking water |
Heating plate #FM-20 42x28cm | Dragon | — | heating |
Heating lamp | Electric Petra, Burgau | — | heating |
Ointment for the eyes and nose (5% Dexpanthenol) Bepanthen | Bayer | PZN-01578675 | Eye protection |
anatomical tweezer | B.Braun Aesculap | BD21 OR | surgical instruments |
surgical tweezer | B.Braun Aesculap | BD50 1 R | surgical instruments |
scissors | B.Braun Aesculap | BC05 6R | surgical instruments |
needle holder | B.Braun Aesculap | BH1 1 OR | surgical instruments |
Prolene 5-0 | Ethicon | XN8870.P32 | surgical suture material |
Opsite moisture vapour permable spray dressing | Smith&Nephew | REF 66004978, PZN- 02063507 | surgical suture material |
Adhesive aperture drape | Barrier | REF 904622 | sterile OP tissue |
gauze swap Gazin®; steril; 10×10 cm | Lohmann&Rauscher | REF 18506 | sterile OP tissue |
Raucotupf cotton tipped applicators | Lohmann&Rauscher | REF 11969 | applicator |
Corning® Matrigel Basement Membrane Matrix | Corning | Cat.-No.: 354234 | Basement Membrane Matrix |
iodine solution Braunol (7,5g povidone iodine) | B.Braun Melsungen AG | Item number: 18839 | desinfection |
MACS® Tissue Storage Solution | Miltenyi Biotec GmbH | Order No.:130-100-008 | storage solution |
Formafix 4% | Grimm med. Logistik GmbH | Item number: F10010G | fixation solution |
Software FreezerworksBasic | Dataworks Development, Inc | — | sample organization |
Zebra TLP 2844 printer | Zebra | — | label printer |