Einfluss von Polyphosphat-Substraten auf das Wachstumsverhalten humaner Tumorzelllinien als Grundlage für die Etablierung eines innovativen Zellkulturmodells
Eine individualisierte Anti-Tumor-Strategie, die unter Berücksichtigung des individuellen Immunstatus und Micro-Environments des zu behandelnden Tumors erfolgt, ist dringend notwendig. Neben Tiermodellen rücken zunehmend 3D-Zellkulturmodelle wie Sphäroide, Organoide oder auch Scaffoldmodelle, in denen Zellen verdruckt werden, in den Fokus der Wissenschaft. Bei all diesen Modellen ist die ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Eine individualisierte Anti-Tumor-Strategie, die unter Berücksichtigung des individuellen Immunstatus und Micro-Environments des zu behandelnden Tumors erfolgt, ist dringend notwendig. Neben Tiermodellen rücken zunehmend 3D-Zellkulturmodelle wie Sphäroide, Organoide oder auch Scaffoldmodelle, in denen Zellen verdruckt werden, in den Fokus der Wissenschaft. Bei all diesen Modellen ist die Energieversorgung der Zellen im Inneren eines 3D-Modells eine der größten Herausforderungen.
In der hier vorliegenden Arbeit wurden die Möglichkeiten untersucht, mit verschiedenen Polyphosphat(polyP)-Substraten eine optimierte Energiezufuhr für 3D-Zellkulturmodelle zu erzielen.
Die Untersuchungen erfolgten zunächst in Hep3B(Leberzellkarzinom)- und Caco2(Darmkrebs)-Zellen in 2D-Zellkultur. Es wurden verschiedene polyPs (Ca-, Mg-, Sr- und Na-polyP) untersucht. Alle polyPs wiesen weder toxische Effekte auf noch beeinflussten sie den Zellzyklus oder das Zellwachstum. Hervorzuheben ist, dass alle polyPs zu einer deutlichen Steigerung des zellulären Metabolismus führten. Die Zugabe von polyPs zum Kulturmedium erhöhte die Mengen an Reduktionsäquivalenten (NAD(P)H) deutlich. Dies lässt auf eine deutliche Steigerung der Glykolyse bzw. des Pentose-Phosphat-Weges schließen. Somit können polyPs Glukose als Energielieferant nicht ersetzen, aber (i) die Umsetzung von Glukose beschleunigen und (ii) als ergänzende Energiequelle dienen.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit die Grundvoraussetzung gelegt werden, um polyPs in Folgeexperimenten in 3D-Scaffolds des kolorektalen und des hepatozellulären Karzinoms zu verdrucken. Wie bei jedem 3D-Gewebemodell besteht auch hier die größte Herausforderung darin, eine gleichmäßige Energieversorgung, auch im Inneren des Zellkulturmodells, zu gewährleisten. Es wurde bereits gezeigt, dass polyPs verdruckt werden können und somit gleichmäßig über das gesamte Scaffold verteilt werden können. Dadurch könnten polyPs eine gleichmäßige Energieversorgung innerhalb dieser 3D-Zellkulturmodelle ermöglichen.
Mithilfe solcher Scaffoldmodelle können dann 3D-Gewebemodelle etabliert und mit anderen Zellen, wie z. B. Immunzellen, des gleichen Spenders ko-kultiviert werden. Die Erstellung solcher komplexen Zellkulturmodelle kann dann genauere Untersuchungen zu diversen Erkrankungen wie Tumor- und Autoimmunerkrankungen liefern. Das Zusammenspiel verschiedener Zelltypen ermöglicht nicht nur genauere Einsichten in die Wirkung verschiedener Therapeutika, sondern erlaubt auch patientenindividuelle Therapien und stellt somit einen ersten Schritt in die personalisierte Medizin dar.
Damit ist die hier gezeigte Möglichkeit, polyPs als alternative, ergänzende Energiequelle zu nutzen, von großer Bedeutung. PolyPs können sich beim Verdrucken überall im Scaffold befinden, sie sind – wie hier gezeigt – leicht und effizient von den Zellen zu verstoffwechseln und sie werden über anaerobe Stoffwechselwege wie Glykolyse und Pentose-Phosphatweg umgesetzt. Somit spielt die Sauerstoffversorgung innerhalb des 3D-Scaffoldmodells nur eine untergeordnete Rolle. Der Weg zum Scaffoldmodell mit gleichmäßiger Energieversorgung ist somit geebnet und komplexe Zellkulturmodelle können nun weiter untersucht werden.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
An individualized anti-tumor strategy, which includes an assessment of the individual immune status and micro-environment of the tumor to be treated, is urgently needed. In addition to animal models, 3D cell culture models such as spheroids, organoids or even scaffold models, in which cells are printed, are increasingly coming into the focus of science. In all these models, one of the major ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
An individualized anti-tumor strategy, which includes an assessment of the individual immune status and micro-environment of the tumor to be treated, is urgently needed. In addition to animal models, 3D cell culture models such as spheroids, organoids or even scaffold models, in which cells are printed, are increasingly coming into the focus of science. In all these models, one of the major challenges is the energy supply to the cells inside a 3D model.
In the work presented here, we tested the possibilities of using different polyphosphate (polyP) substrates to achieve optimized energy delivery for 3D cell culture models.
The studies were first performed in Hep3B(hepatocellular carcinoma) and Caco2(colon cancer) cells in 2D cell culture. Different polyPs (Ca-, Mg-, Sr- and Na-polyP) were tested. All polyPs did not exhibit toxic effects nor did they influence the cell cycle or cell growth. It should be underlined that all polyPs led to a significant increase in cellular metabolism. Addition of polyPs to the culture medium significantly increased the levels of reduction equivalents (NAD(P)H). This suggests a significant increase in glycolysis or the pentose-phosphate pathway. Thus, polyPs cannot replace glucose as an energy source, but (i) accelerate the conversion of glucose and (ii) serve as a supplemental energy source.
In summary, this work laid the groundwork for printing polyPs in 3D scaffolds of colorectal and hepatocellular carcinoma in follow-up experiments. As with any 3D tissue model, the main challenge is to ensure a uniform energy supply, including inside the cell culture model. It has already been shown that polyPs can be imprinted and thus evenly distributed throughout the scaffold. Thus, polyPs could provide a uniform energy supply within these 3D cell culture models.
Using such scaffold models, 3D tissue models can then be established and co-cultured with other cells, such as immune cells, from the same donor. The establishment of such complex cell culture models can then provide more detailed research on diverse diseases such as tumors and autoimmune diseases. The interaction of different cell types not only provides more precise views of the effects of different therapeutic agents, but also allows patient-specific therapies and thus represents a first step towards personalized medicine.
Thus, the possibility of using polyPs as an alternative, complementary energy source, as demonstrated here, is of great importance. PolyPs can be located anywhere in the scaffold during compression, they are easily and efficiently metabolized by cells as shown here, and they are converted via anaerobic metabolic pathways such as glycolysis and the pentose-phosphate pathway. Thus, oxygen supply plays only a minor role within the 3D scaffold model. The way to the scaffold model with uniform energy supply is thus paved and complex cell culture models can now be further tested.
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