title: 3D bioprinted lung cancer models for biomedical research
Creators: name: Mei, Yikun
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit
subject: 3D bioprinting
subject: lung cancer
subject: DLP printing
subject: gemcitabine
subject: H358 cell
subject: radiation therapy
subject: mouse phantom

description: Lung cancer remains one of the most prevalent and lethal forms of cancer worldwide, underscoring the pressing necessity for the development of novel therapeutic approaches. Despite the development of some targeted therapies, the incidence of lung cancer continues to rise in developing countries, creating a need for additional treatment options. It is therefore evident that research on test models for various treatment methods, including chemotherapy and radiotherapy, is of great importance. Recent advances in three-dimensional bioprinting technology offer potential solutions to this problem. Three-dimensional (3D) bioprinting techniques have been employed to construct models for drug and toxicology testing, as well as radiation therapy for non-small cell lung cancer. The majority of current research on 3D lung cancer models is focused on static models. The first part of this thesis describes the development of a perfusable lung cancer model that can be used for drug testing. The model was generated using digital light processing (DLP) printing, incorporates simulated human blood vessels, and can be connected to a peristaltic pump for long-term perfusion culture. This configuration allows for the examination of drug candidates under dynamic conditions. In a proof-of-concept study with gemcitabine, the 3D bioprinted model demonstrated an IC50 value that was approximately 1000 times higher than that of two-dimensional (2D) cell cultures. Compared to the static 3D model, dynamic culture in a perfusion system significantly increased cell viability by about 60% and enhanced the cytotoxic effects of the tested drug on tumor cells. Additionally, the expression of apoptosis markers, including Cleaved caspase-3 and Cleaved poly (ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1), was upregulated in response to drug treatment. The second part of the thesis evaluated the suitability of standardized 3D-printed human lung cancer models for radiotherapy studies. Radiotherapy is an important part of the treatment of lung cancer. However, preclinical radiotherapy testing is often performed in animal models, which have several drawbacks, including species-specific differences and ethical concerns. To replace animal models, bioprinted 3D human lung cancer models consisting of lung tumor cells embedded in human primary lung fibroblast were developed. The models were placed in a mouse phantom made of materials that mimic the X-ray radiation attenuation rates found in mice. This setup was found to be capable of simulating the selective killing effect and induction of apoptosis of X-rays in A549 lung tumor epithelial cells, while healthy primary lung fibroblasts were protected. In comparison to 2D cell irradiation experiments, the 3D model was found to more accurately reflect the actual in vivo treatment outcomes. In conclusion, a range of printing techniques to fabricate disease models for lung cancer chemotherapy and radiotherapy were employed in this thesis. This provides novel options for the development of enhanced testing platforms for prospective lung cancer treatment modalities.
description: Lungenkrebs ist nach wie vor eine der häufigsten und tödlichsten Krebsarten weltweit. Trotz der Entwicklung einiger zielgerichteter Therapien nimmt die Inzidenz von Lungenkrebs in den Entwicklungsländern weiter zu, was die Dringlichkeit der Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze unterstreicht. Es liegt daher auf der Hand, dass die Entwicklung von Modellen für verschiedene Behandlungsmethoden, einschließlich Chemo- und Strahlentherapie, von großer Bedeutung ist. Die jüngsten Fortschritte in der dreidimensionalen (3D) Biodruck-Technologie bieten Lösungen für dieses Problem. Durch 3D-Biodruck hergestellte Tumormodelle können für Arzneimittelstudien, toxikologische Studien und Strahlentherapiestudien bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs eingesetzt werden. Der Großteil der aktuellen Forschung zu 3D-gedruckten Lungenkrebsmodellen konzentriert sich auf statische Modelle. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung eines perfundierten Lungenkrebsmodells, das für Wirkstofftests verwendet werden kann. Das Modell wurde mit Hilfe des Digital Light Processing (DLP) Druckverfahrens hergestellt, enthält simulierte menschliche Blutgefäße und kann für eine Langzeit-Perfusionskultur an eine Peristaltikpumpe angeschlossen werden. Diese Konfiguration ermöglicht die Untersuchung von Wirkstoffkandidaten unter dynamischen Bedingungen. In einer Proof-of-Concept-Studie mit Gemcitabin zeigte das 3D-Modell einen etwa tausendmal höheren IC50-Wert als zweidimensionale (2D) Zellkulturen. Im Vergleich zum statischen 3D-Modell erhöhte die dynamische Kultur in einem Perfusionssystem die Viabilität der Zellen um etwa 60% und verstärkte die zytotoxische Wirkung des getesteten Medikaments auf Tumorzellen. Zusätzlich wurde die Expression von Apoptosemarkern, einschließlich gespaltenem Caspase-3 und gespaltenem Poly (ADP-Ribose)-Polymerase-1 (PARP-1), infolge der Medikamentenbehandlung hochreguliert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Eignung von standardisierten 3D-gedruckten menschlichen Lungenkrebsmodellen für Strahlentherapiestudien untersucht. Die Strahlentherapie ist ein wichtiger Bestandteil der Behandlung von Lungenkrebs. Präklinische Tests zur Strahlentherapie werden jedoch häufig an Tiermodellen durchgeführt, was mehrere Nachteile mit sich bringt, darunter speziesspezifische Unterschiede und ethische Bedenken. Um Tiermodelle zu ersetzen, wurden 3D-gedruckte Lungenkrebsmodelle entwickelt, die aus Lungentumorzellen bestehen, die in gesunde primäre Lungenfibroblasten eingebettet sind. Die Modelle wurden in ein Mausphantom platziert, das aus Materialien besteht, die die Abschwächung von Röntgenstrahlen in Mäusen nachahmen. Es konnte gezeigt werden, dass dieser experimentelle Aufbau in der Lage ist, die selektive zelltoxische Wirkung und die Induktion von Apoptose durch Röntgenstrahlung in A549 Lungentumor-Epithelzellen zu simulieren, während gesunde primäre Lungenfibroblasten verschont blieben. Im Vergleich zu 2D-Zellbestrahlungsexperimenten wurde festgestellt, dass das 3D-Modell die tatsächlichen in vivo Behandlungsergebnisse genauer wiedergibt. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass verschiedene Drucktechniken zur Herstellung von 3D-Lungenkrebsmodellen für Chemo- und Strahlentherapiestudien eingesetzt werden können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung verbesserter Testplattformen für zukünftige Behandlungsmodalitäten von Lungenkrebs.