3D Zellkulturmodelle – Gehirnmatrix-artige Hydrogele
1. 3D Zellkulturmodelle für die Melanomforschung
Um Tierversuche zu reduzieren, verwenden wir für die Erforschung von molekularen Grundlagen der Tumor Dormancy, Tumorzellplastizität und Gehirnmetastasierung des malignen Melanoms und zur Translation in die Klinik fortgeschrittene 3D Zellkulturmodelle, die die humane Pathophysiologie besser abbilden können als herkömmliche 2D Zellkulturmodelle.
In unseren Studien werden Tumorzellen mit Hydrogelen verschiedener Zusammensetzung gemischt und in die gewünschte 3D Struktur gegossen oder mit noch mehr räumlicher Kontrolle 3D gedruckt. Alleine die 3D Kultivierung gibt den Zellen ein physiologischeres Umfeld durch umschließende Zell-Matrix Kontakte, sowie eine bessere Simulation der physiologischen Matrixmechanik als Plastikzellkulturschalen [1]. Verglichen mit Tierversuchen haben diese 3D Modelle außerdem den Vorteil der deutlich besseren Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit.
Abbildung 1: A) Zellen werden mit dem Hydrogel gemischt und durch extrusionsbasierten 3D-Druck in der gewünschten Form abgelegt. Abhängig vom Material überleben die Zellen diesen Prozess sehr gut. B) In anschließenden Analysen des Zellverhaltens können Analogien zu in vivo-Situationen detektiert werden. C) Materialcharakterisierungen sind unerlässlich um die biologische Reaktion zu verstehen und werden in Kooperation mit verschiedenen Lehrstühlen der Materialwissenschaften im SFB TRR225 durchgeführt. Modifiziert aus Eckert et al., 2025 [2].
Ein klinisches Phänomen, für dessen Erforschung wir auf in vivo-nahe Modelle angewiesen sind, ist die bevorzugte Metastasierung von Melanomzellen ins Gehirn. Um die spezielle Mechanik der Extrazellulärmatrix des Gehirns für die Etablierung von Gehirnmetastasen des Melanoms in unseren Experimenten zu berücksichtigen, arbeiten wir im SFB EBM an der Testung Gehirnmatrix-artiger Hydrogele,die als Grundlage der Untersuchung des molekularen und makroskopischen Verhaltens der Melanomzellen im Gel ein möglichst Hirnmatrix-nahes, tierversuchsfreies Hydrogel darstellen.
In einem anderen Projekt beschäftigen wir uns mit der Tumor Dormancy des Melanoms, ein Phänomen, bei dem einzelne, resistente Tumorzellen bis zu Jahrzehnten ruhend im Patienten vorliegen, und durch bisher unbekannte Reize plötzlich zur Ausbildung aggressiver Metastasen führen können. Aufgrund der Tatsache, dass es sich um Einzelzellen handelt, ist das Auffinden und die Analyse dieser Zellen in vivo hochkomplex. Durch den 3D Biodruck von Melanomzellen mit einem Alginat-Cellulose-basierten Hydrogel können wir diese Tumor Dormancy in vitro ganz gezielt induzieren, die sonsteinzeln vorliegenden Zellen akkumulieren und molekulare Analysen sowie Wirksamkeitsprüfungen ausgewählter Therapeutika durchführen.
Abbildung 2: A) Mikroskopaufnahmen fluoreszenzmarkierter Melanomzellen in Kultur im Hydrogel Cellink Bioink (CIB) zeigen über 7 Tage (d7) kein Wachstum, während sie im Hydrogel Matrigel (MG) stark proliferieren. B) RNA-Sequenzierung zur Transkriptionsanalyse zeigt eine Vielzahl differenziell exprimierter Gene zwischen den Zellen aus diesen beiden Kulturbedingungen. C) Bioinformatische Analysen der umfangreichen RNA-Seq Datensätze unterstützen die Interpretation der differenziellen Genexpression und helfen bei der Klassifizierung der unterschiedlichen Phänotypen. Modifiziert aus Schmidt et al., 2025 [3].
2. Originalartikel
[1] Melanie Kappelmann-Fenzl, Sonja K. Schmidt, Stefan Fischer, Rafael Schmid, Lisa Lämmerhirt, Lena Fischer, Stefan Schrüfer, Ingo Thievessen, Dirk W. Schubert, Alexander Matthies, Rainer Detsch, Aldo R. Boccaccini, Andreas Arkudas, Annika Kengelbach-Weigand, Anja K. Bosserhoff, Molecular Changes Induced in Melanoma by Cell Culturing in 3D Alginate Hydrogels, Cancers, Volume13, 2021, https://doi.org/10.3390/cancers13164111
[2] Carolin Eckert, Sonja K. Schmidt, Jessica Faber, Rainer Detsch, Martin Vielreicher, Zan Lamberger, Philipp Stahlhut, Evelin Sandor, Tannaz Karimi, Rafael Schmid, Andreas Arkudas, Oliver Friedrich, Silvia Budday, Gregor Lang, Annika Kengelbach-Weigand, Anja Bosserhoff, An alginate-cellulose based bioink mimics the viscoelastic features of the melanoma microenvironment and its influence on cell cycle and invasion, Bioprinting, Volume 46, 2025, https://doi.org/10.1016/j.bprint.2024.e00384
[3] Sonja K. Schmidt, Stefan Fischer, Zubeir El Ahmad, Rafael Schmid, Eric Metzger, Roland Schüle, Claus Hellerbrand, Andreas Arkudas, Annika Kengelbach-Weigand, Melanie Kappelmann-Fenzl, Anja K. Bosserhoff, Modeling a mesenchymal cell state by bioprinting for the molecular analysis of dormancy in melanoma, Materials Today Bio, Volume 32, 2025, https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.101674
3. Aktivitäten
Präsentation der Daten auf nationalen und internationalen Kongressen in Vorträgen und Postern, unter anderem:
8th China-Europe Symposium on Biomaterials in Regenerative Medicine, 2024, Nürnberg
The 21st International Congress of the Society for Melanoma Research (SMR), 2024, New Orleans, USA
The International Conference on Biofabrication (ISBF), 2024, Japan
26th ESPCR (European Society of Pigment Cell Research) Meeting, 2025, Erlangen
4. Kontakt:
Prof. Dr. Anja Bosserhoff, Institutsleitung
Dr. Sonja Schmidt, Postdoc
Institut für Biochemie, Lehrstuhl für Biochemie und Molekulare Medizin
09131 85 24190 / anja.bosserhoff@fau.de
09131 85 26206 / sonja.s.schmidt@fau.de