T-Zellen und 3D-Zellmodelle für die Immuntherapie
Nutzung der Leistungsfähigkeit von T-Zellen mit Organoiden und Spheroiden für die Krebstherapieforschung
Was sind T-Zellen?
T-Zellen – auch bekannt als T-Lymphozyten – sind infektionsbekämpfende weiße Blutkörperchen im menschlichen Körper. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die Reaktion eines Immunsystems auf Fremdstoffe, sogenannte Antigene, zu bestimmen. Sie werden ergänzt von B-Zellen – einem weiteren Lymphozyten-Haupttyp. Zusammen zirkulieren im gesamten Körper Millionen von T- und B-Zellen, von denen jede mit einzigartigen Rezeptoren ausgestattet ist, die eine Reaktion auf nahezu jedes Antigen ermöglichen.
T-Zellen entwickeln sich aus Stammzellen im Knochenmark und gelangen zu einer kleinen Drüse im Lymphsystem, dem Thymus, wo sie sich vermehren und reifen. Aus diesem Grund werden sie als T-Zellen (Thymuszellen) bezeichnet. Hier entwickeln sie sich zu spezialisierten Subtypen wie Helferzellen, regulatorischen Zellen, zytotoxischen Zellen und Speicherzellen. Wenn sie bereit sind, werden die T-Zellen in periphere Gewebe verteilt oder sie zirkulieren im Blut und im Lymphsystem, um ihre Arbeit zu erfüllen, wenn sie auf ein geeignetes Antigen treffen. So setzen etwa die T-Helferzellen sogenannte Zytokine als chemische Botenstoffe frei, die die Transformation von B-Zellen zu Plasmazellen fördern, die Antikörper produzieren. Regulatorische T-Zellen modulieren Immunantworten, um eine Überaktivität zu verhindern, während zytotoxische T-Zellen infizierte Zellen oder Krebszellen angreifen und zerstören.
Die 3D Custom Module Editor Schnittstelle mit MitoTracker (links), T-Zelle (Mitte) und TL-Kanal (rechts).
Anwendungen von T-Zell- und Organoid-Co-Kulturen für die Krebstherapieforschung
Die Immuntherapie, bei der das Immunsystem genutzt wird, um Krebszellen gezielt anzugreifen, gewinnt als zusätzliche Form der Krebsbehandlung an Bedeutung. Zu diesen Therapien gehören CAR-T-Zellen (gentechnisch veränderte T-Zellen mit einem chimären Antigenrezeptor), tumorinfiltrierende Lymphozyten (TIL) und andere genetisch veränderte T-Zellen.
Während sie bei der Behandlung verschiedener nicht-solider, d. h. hämatologischer Krebsarten wirksam ist, ist der Erfolg bei Patienten mit soliden Tumoren, die den Großteil der Krebserkrankungen ausmachen, begrenzt. Ein Grund für die hohe Ausfallrate ist die immunsuppressive Tumormikroumgebung (TME).
Die Verbesserung der T-Zell-Rekrutierung und der zytotoxischen Aktivität ist für eine erfolgreiche Krebsimmuntherapie von entscheidender Bedeutung. In der präklinischen wissenschaftlichen Forschung bieten 3D-Zellmodelle Vorteile gegenüber 2D-Monolayer-Kulturen, da sie die physikalischen und chemischen Bedingungen des TME besser nachahmen.
Beispielsweise sind von Patienten gewonnene Organoide (PDOs) herkömmlichen 2D-Monolayer-Kulturen überlegen, da sie die physikalischen und chemischen Signale des TME besser nachbilden. Studien zeigen, dass PDOs ähnlich wie die ursprünglichen Tumore auf Wirkstoffe ansprechen, was ihr Potenzial zur Verbesserung der therapeutischen Ergebnisse unterstreicht. PDOs bieten darüber hinaus Vorteile wie inhärente Heterogenität, Langzeitstabilität, Eignung für das Hochdurchsatz-Screening und eine bessere Fähigkeit, Tumoreigenschaften zu erfassen, was sie zu einem überlegenen präklinischen Modellsystem macht.
Beispiel für einen Arbeitsablauf: T-Zell-induzierte morphologische Veränderungen der CRC-Organoide
Die T-Zell-Forschung ist ein facettenreiches und dynamisches Gebiet, das je nach den spezifischen Zielen der Forscher ein breites Spektrum an Studien umfassen kann. Das primäre Ziel jedes T-Zell-Forschungsprojekts bestimmt oft das experimentelle Design, einschließlich der Auswahl von Modellen und Arbeitsabläufen.
Hier ist ein Beispiel eines Arbeitsablaufs zur Analyse von T-Zell-induzierten morphologischen Veränderungen von kolorektalen Krebsorganoiden (CRC):
Schritte 1–5) Kultur-Organoidmodelle – Dieser Arbeitsablauf beginnt mit der Züchtung von in einem Bioreaktor expandierten, aus Patienten stammenden kolorektalen Krebsorganoiden (CRC). Stattdessen kann allerdings auch eine weit verbreitete Zelllinie als Alternative zu gebrauchsfertigen PDOs zur Erzeugung von Modellen verwendet werden. Anschließend werden die Zellen in Platten ausgesät. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann die Automatisierung während dieses Prozesses genutzt werden, um die Zeit ohne Beaufsichtigung zu verlängern.
Schritte 6–7) Bereite T-Zellen für die Co-Kultur – Stimulierte T-Zellen werden erzeugt, indem aufgetaute T-Zellen mit einem chemischen Wirkstoff kombiniert und dann mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert werden, bevor sie zusammen mit den Organoiden kultiviert werden. Nicht stimulierte Immunzellen dienen als Negativkontrollen.
Schritt 8) Automatisiertes Zeitraffer-Imaging
Alle paar Stunden wird ein automatisiertes Lebendzell-Imaging mit unserer fortschrittlichen High-Content-Lösung, dem ImageXpress® Confocal HT.ai High-Content Imaging System, durchgeführt. Letzteres ist mit einer hochauflösenden Kamera und spezieller Software zur Aufnahme von 3D-Strukturen ausgestattet. Diese Bilder werden dann in die IN Carta Image Analysis Software eingespeist, die mithilfe fortschrittlicher künstlicher Intelligenz (KI) Bilder in leicht interpretierbare Ergebnisse umwandelt.
KI-gestützte Datenanalyse – KI-gestützte IN Carta-Software kann die Art und Weise, wie Forscher die T-Zell-Interaktion mit 3D-Modellen untersuchen, erheblich verbessern. Dabei kommen fortschrittliche Techniken wie die auf Deep Learning basierende Segmentierung und die auf maschinellem Lernen basierende Klassifizierung zum Einsatz, um Bilder zu analysieren und Daten zu kategorisieren. So können Forscher genaue und effiziente Einschätzungen des T-Zell-Verhaltens erstellen.
In diesem Beispiel verwenden Forscher IN Carta während der Deep-Learning-Segmentierung, um einfach Masken für Organoide zu erzeugen, und während der auf maschinellem Lernen basierenden Klassifizierungsphase, um Organoide in intakte Organoide (pink) und modifizierte Organoide (grün) zu klassifizieren; im Laufe der Zeit zeigt sich eine erhöhte Anzahl dieser modifizierten Organoide.
T-Zell-Anwendungen und Assays für das High-Content Screening
Für die Immuntherapie sind modernste 3D-Imaging- und Datenanalysemethoden zur Durchführung der Erforschung von T-Zell- und Organoid-Co-Kultur von entscheidender Bedeutung. Solche Arbeitsabläufe können stark von High-Content-Imaging, Automatisierung und KI-gestützter Datenanalysesoftware profitieren. Erfahren Sie mehr über unsere Methoden für T-Zell-Assays aus den untenstehenden Ressourcen.