Dokument: Immunocompetent 3D pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) BioChip model for preclinical drug testing

Titel:	Immunocompetent 3D pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) BioChip model for preclinical drug testing
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=74918
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20261109-172704-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Deipenbrock, Alina [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 26,19 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 02.11.2026 / geändert 02.11.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Teusch, Nicole [Gutachter] Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Sorg, Rüdiger [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Das duktale Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) zählt weltweit zu den tödlichsten bösartigen Tumoren und zeichnet sich durch ein dichtes, desmoplastisches und immunsuppressives Tumormikromilieu (TME) sowie durch eine ausgeprägte Resistenz gegenüber konventionellen und immuntherapeutischen Ansätzen aus. Herkömmliche präklinische Modelle versagen häufig dabei, die komplexe räumliche Architektur und die dynamische zelluläre Interaktion zwischen Tumorzellen, krebsassoziierten Fibroblasten (CAF) und Immunzellen nachzubilden. Um diese Lücke zu schließen, demonstriert diese Doktorarbeit die Entwicklung, Validierung und Anwendung einer translationalen 3D-Biochip-Plattform für die präklinische Wirkstoffprüfung. Die Forschung folgte einer schrittweisen translationalen Strategie. Zunächst wurde das pharmakologische Potenzial eines neuartigen Histon-Deacetylase (HDAC)-Inhibitors unter Verwendung dreidimensionaler (3D) PANC-1-basierter Sphäroide evaluiert. Diese Studie zeigte, dass eine duale HDAC-2/6-Hemmung Apoptose induziert und die epitheliale-mesenchymale Transition (EMT) durch Hochregulierung von E-Cadherin wirksam umkehrt, was die Invasion von Tumorzellen signifikant reduziert. Diese Ergebnisse lieferten eine molekulare Grundlage für die anschließende Integration in komplexere Systeme. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde eine vaskularisierte Biochip-Plattform entwickelt. Dieses System integrierte Endothelzellen der menschlichen Nabelschnurvene (HUVEC), um eine dynamische Gefäßbarriere zu simulieren, die eine kontinuierliche Perfusion von Therapeutika und Immunzellen ermöglichte. In einer Proof-of-Concept-Studie zeigte der HDAC-Inhibitor Vorinostat, dass das Biochip-Modell, bestehend aus HUVEC und Co-Kultur-Sphäroiden, die mit PANC-1-Tumorzellen und Pankreas-Sternzellen (PSC) generiert wurden, unter Strömungsbedingungen dosisabhängige Arzneimittelreaktionen genau nachweisen kann. Darüber hinaus ermöglichte die Plattform die Rekrutierung und Infiltration von Monozyten in die Co-Kultur-Sphäroide, wo sie sich zu einem immunsuppressiven M2-Makrophagen-Phänotyp differenzierten. Zudem verringerte die Anwesenheit von M2-Makrophagen die Empfindlichkeit der Co-Kultur-Sphäroide gegenüber dem Chemotherapeutikum Paclitaxel und ahmte damit ein charakteristisches Merkmal der PDAC-TME nach. Der letzte Teil der Dissertation konzentrierte sich auf Mechanismen der T-Zell-Dysfunktion bei PDAC. Durch die Verwendung sowohl von Zelllinien-basierten als auch von patientenabgeleiteten Sphäroiden (PDS) replizierte das Modell erfolgreich die klinische Checkpoint-Signatur von tumorinfiltrierenden Lymphozyten, die durch eine hohe Expression von Programmed cell death protein 1 (PD-1), Cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 (CTLA-4) und Lymphocyte-activation gene 3 (LAG-3) gekennzeichnet ist. Die Ergebnisse identifizierten die stromale C-X-C-Chemokin-Ligand (CXCL)12 - C-X-C-Chemokin-Rezeptor (CXCR)4-Signalübertragung als primären Mediator der T-Zell-Ausschließung. Darüber hinaus zeigten sie, dass ein pharmakologischer CXCR4-Antagonismus die Infiltration verstärkte, während die Behandlung mit dem Anti-PD-1-Antikörper Pembrolizumab die Effektor-Funktion der T-Zellen teilweise wiederherstellte. Die hohe Übereinstimmung zwischen PDS und patientenspezifischen klinischen Daten unterstreicht die translationalen Fähigkeiten der Plattform. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit dieser Arbeit eine vielseitige, tierversuchsfreie 3D-Plattform etabliert wurde, die Schlüsselmechanismen der Immunumgehung und Therapieresistenz bei PDAC erfasst. Durch die Bereitstellung eines skalierbaren Werkzeugs zur Analyse der TME-gesteuerten Immunsuppression und zur Bewertung personalisierter immuntherapeutischer Strategien leistet diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zum Fortschritt der präzisionsonkologischen Forschung und zur Umsetzung der 3R-Prinzipien (Ersetzen, Reduzieren, Verfeinern). Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is one of the deadliest malignant tumors worldwide and is characterized by a dense, desmoplastic, and immunosuppressive tumor microenvironment (TME), as well as marked resistance to conventional and immunotherapeutic approaches. Traditional preclinical models often fail to replicate the complex spatial architecture and dynamic cellular interactions between tumor cells, cancer-associated fibroblasts (CAF), and immune cells. To address this gap, this doctoral thesis demonstrates the development, validation, and application of a translational 3D biochip platform for preclinical drug testing. The research followed a stepwise translational strategy. First, the pharmacological potential of a novel histone deacetylase (HDAC) inhibitor was evaluated using three-dimensional (3D) PANC-1-based spheroids. This study showed that dual HDAC-2/6 inhibition induces apoptosis and effectively reverses the epithelial-mesenchymal transition (EMT) by upregulating E-cadherin, which significantly reduced tumor cell invasion. These results provided a molecular basis for subsequent integration into more complex systems. Building on these results, a vascularized biochip platform was developed. This system incorporated human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) to simulate a dynamic vascular barrier, enabling continuous perfusion of therapeutics and immune cells. In a proof-of-concept study, the HDAC inhibitor vorinostat demonstrated that the biochip model, consisting of HUVEC and co-culture spheroids generated with PANC-1 tumor cells and pancreatic stellate cells (PSC), could accurately detect dose-dependent drug responses under flow conditions. Furthermore, the platform enabled the recruitment and infiltration of monocytes into the co-culture spheroids, where they differentiated into an immunosuppressive M2 macrophage phenotype. Furthermore, the presence of M2 macrophages reduced the sensitivity of the co-culture spheroids to the chemotherapeutic agent paclitaxel, thereby mimicking a characteristic feature of the PDAC TME. The final part of the thesis focused on mechanisms of T-cell dysfunction in PDAC. By using both cell line-based and patient-derived spheroids (PDS), the model successfully replicated the clinical checkpoint signature of tumor-infiltrating lymphocytes, which is characterized by high expression of programmed cell death protein 1 (PD-1), cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 (CTLA-4), and lymphocyte-activation gene 3 (LAG-3). The results identified stromal C-X-C chemokine ligand (CXCL)12-C-X-C chemokine receptor (CXCR)4 signaling as the primary mediator of T-cell exclusion. Furthermore, pharmacological CXCR4 antagonism enhanced infiltration, while treatment with the anti-PD-1 antibody pembrolizumab partially restored T-cell effector function. The high concordance between PDS and patient-specific clinical data underscores the platform’s translational capabilities. In summary, this work establishes a versatile, animal-free 3D platform that captures key mechanisms of immune evasion and treatment resistance in PDAC. By providing a scalable tool for analyzing TME-driven immunosuppression and evaluating personalized immunotherapeutic strategies, this work makes a significant contribution to the advancement of precision oncology research and the implementation of the 3Rs principles (Replace, Reduce, Refine).
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie
Dokument erstellt am:	09.11.2026
Dateien geändert am:	09.11.2026
Promotionsantrag am:	10.06.2026
Datum der Promotion:	28.10.2026