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Modeling Tumor Invasion in Engineered Microenvironments

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Podrobná bibliografia
Názov: Modeling Tumor Invasion in Engineered Microenvironments
Autori: Kurzbach, Sophie Christin
Prispievatelia: Bausch, Andreas (Prof. Dr.), Reichert, Maximilian (Prof. Dr.)
Informácie o vydavateľovi: Technical University of Munich, 2025.
Rok vydania: 2025
Predmety: Physik, 3D-patterned organoids, PDAC, tumor invasion, EMT, tumor microenvironment, mechanotransduction, cell tension, vinculin, matrix stiffness, geometric curvature, invasion plasticity, phenotypic transition, MMP inhibition, Batimastat, patient-derived organoids, subtype-specific analysis, high-throughput screening, mechanical confinement, drug response, precision oncology, 3D-patterned Organoide, Invasion, Tumormikroumgebung, mechanische Zellspannung, Vinculin, Matrixsteifigkeit, geometrische Krümmung, funktionelle Charakterisierung, phänotypische Transition, Zellplastizität, MMP-Inhibition, patientenderivierte Organoide, Hochdurchsatzanalyse, Subtypisierung, proteolytische Invasion, Mechanotransduktion, Präzisionsonkologie, ddc:530, Naturwissenschaften, ddc:500
Popis: Personalized cancer therapy increasingly combines genomic profiling with functional tumor models to improve treatment predictions. However, current patient-derived organoids (PDOs) often lack reproducibility and fail to replicate key features of the tumor microenvironment (TME), including factors driving tumor plasticity, invasion, and therapy resistance. Their spherical morphology supports viability assays but limits mechanistic insights into invasion, reducing translational utility. Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), a highly invasive and heterogeneous malignancy, underscores the need for advanced ex vivo models that capture TME features and allow for functional phenotypic analysis. PDAC cells undergo dynamic transitions between epithelial, mesenchymal, and hybrid states that modulate invasive behavior and resistance. Existing models do not allow systematic analysis of these transitions or their biomechanical regulation. To overcome these limitations, we developed a 3D patterned organoid platform (“patternoids”) that standardizes organoid formation and enables subtype-specific invasion analysis under defined biomechanical conditions. Collagen-based microcavity arrays ensure precise spatial positioning of individual patternoids, enabling high-resolution imaging and uniform mechanical confinement. Inter-organoid heterogeneity is minimized, and reproducibility enhanced through documentation of the initial cell number (c0). The platform allows systematic investigation of how matrix stiffness and geometric curvature influence PDAC invasion and EMT plasticity. Patternoids derived from primary murine epithelial (E-9591), hybrid (Mlow-8028), and mesenchymal (M-16992) PDAC subtypes were assessed for invasion dynamics, EMT marker expression, and responses to mechanical and pharmacological perturbations. Quantitative imaging revealed subtype-specific invasion modes. Epithelial patternoids showed collective invasion upon reaching confluence, hybrid EMT patternoids initiated branching invasion prior to confluence, and mesenchymal patternoids exhibited immediate, branched invasion regardless of spatial confinement. Using vinculin-based tension sensors, we observed increased tension at cell-matrix adhesions in high-curvature regions, which correlated with invasion sites—suggesting mechanical stress primes these regions for invasion initiation. To examine the role of proteolytic mechanisms, we inhibited matrix metalloproteinases (MMPs) using Batimastat. Both mesenchymal and hybrid EMT patternoids showed reduced matrix penetration and increased protrusion formation after inhibition, shifting toward a mechanically limited, epithelial-like invasion mode. These findings demonstrate the adaptive plasticity of PDAC subtypes under biomechanical and pharmacological constraints. In summary, the patternoid platform enables reproducible analysis of invasion strategies, mechanical adaptation, and drug responses under well-defined conditions. Future integration of PDOs, immune and stromal elements, and automated high-throughput workflows will extend its utility for functional precision oncology. Correlating in vitro drug responses with patient outcomes will be key to validating its predictive value and informing EMT- and TME-targeted therapies. Personalisierte Krebstherapien kombinieren zunehmend genomische Charakterisierung mit funktionellen Tumormodellen, um individuelle Therapieprognosen zu verbessern. Patientenderivierte Organoide (PDOs) sind hierfür vielversprechend, erfassen jedoch zentrale Aspekte der Tumormikroumgebung (TME) wie Plastizität, Invasion und Therapieresistenz unzureichend. Ihre sphärische Morphologie prädestiniert sie für Zellüberlebensassays, limitiert jedoch die Untersuchung von Invasionsmechanismen und mindert die translationale Relevanz. Das Pankreaskarzinom (PDAC) ist durch ausgeprägte Invasivität und phänotypische Heterogenität gekennzeichnet. Dynamische Übergänge zwischen epithelialen, mesenchymalen und hybriden Zellzuständen fördern Metastasierung und Therapieresistenz. Bestehende Modelle sind jedoch nicht in der Lage, diese Transitionen systematisch oder unter definierten mechanischen Bedingungen zu untersuchen. Zur adressierten Problematik wurde eine 3D-patterned Organoid-Plattform („Patternoids“) entwickelt, die eine standardisierte Formation und funktionelle Charakterisierung von Invasion erlaubt. Biomimetische Kollagen-Mikrostruktursarrays ermöglichen die präzise räumliche Positionierung einzelner Patternoids innerhalb der Matrix. Dies erleichtert die Bildgebung, definiert die biomechanischen Randbedingungen einheitlich und minimiert inter-organoide Heterogenität. Zusätzlich wird durch Dokumentation der initialen Zellzahl (c0) eine Vergleichbarkeit zwischen Experimentreihen sichergestellt. Das System erlaubt die systematische Untersuchung der biophysikalischen Regulation von Invasion und EMT anhand definierter Matrixsteifigkeiten und geometrischer Krümmungen. Primäre murine PDAC-Zelllinien unterschiedlicher Subtypen – epithelial (E-9591), hybrid-EMT (Mlow-8028) und mesenchymal (M-16992) – wurden hinsichtlich Invasionsverhalten, EMT-Markerexpression und Reaktion auf mechanische und pharmakologische Perturbationen analysiert. Epitheliale Patternoids zeigten kollektive Invasion erst nach Konfluenz infolge räumlicher Restriktion. Hybrid-EMT-Patternoids entwickelten verzweigte Invasion früher, während mesenchymale Patternoids eine unmittelbare, weitverzweigte Invasion unabhängig von Konfluenz aufwiesen. Eingesetzte Vinculin-Spannungssensoren zeigten, dass hohe Krümmungen mit erhöhter mechanischer Spannung auf Vinculin und lokal verstärkter Invasion korrelieren. Morphologische Analysen deuteten auf mechanisch komprimierte Zellbereiche als Startpunkte invasiver Prozesse hin. Durch Inhibition von Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) mittels Batimastat konnte gezeigt werden, dass mesenchymale und Hybrid-EMT-Patternoids stark von proteolytischer Matrixmodifikation abhängen. Nach Inhibition verstärkten beide Subtypen die Protrusionsbildung, konnten jedoch nicht mehr in die Matrix eindringen und wechselten zu einem mechanisch limitierten Invasionsmodus. Diese Plastizität belegt die Eignung des Systems zur Modellierung adaptiver Invasionsstrategien. Die Patternoid-Plattform stellt ein reproduzierbares System zur Untersuchung von Invasionsmechanismen, mechanischer Zellantwort und Arzneimittelreaktionen unter definierten biomechanischen Bedingungen dar. Perspektivisch sollen PDOs, Immun- und Stromakomponenten sowie Hochdurchsatzverfahren integriert werden, um die klinische Relevanz weiter zu steigern. Eine Korrelation mit Patientendaten könnte die Plattform als Werkzeug der funktionellen Präzisionsonkologie etablieren.
Druh dokumentu: Thesis
Popis súboru: application/pdf
Jazyk: English
Prístupová URL adresa: https://mediatum.ub.tum.de/doc/1779015/document.pdf
Prístupové číslo: edsair.od.......518..0a268b07aa11d8a8d7c68dbda296648c
Databáza: OpenAIRE
Popis
Abstrakt:Personalized cancer therapy increasingly combines genomic profiling with functional tumor models to improve treatment predictions. However, current patient-derived organoids (PDOs) often lack reproducibility and fail to replicate key features of the tumor microenvironment (TME), including factors driving tumor plasticity, invasion, and therapy resistance. Their spherical morphology supports viability assays but limits mechanistic insights into invasion, reducing translational utility. Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), a highly invasive and heterogeneous malignancy, underscores the need for advanced ex vivo models that capture TME features and allow for functional phenotypic analysis. PDAC cells undergo dynamic transitions between epithelial, mesenchymal, and hybrid states that modulate invasive behavior and resistance. Existing models do not allow systematic analysis of these transitions or their biomechanical regulation. To overcome these limitations, we developed a 3D patterned organoid platform (“patternoids”) that standardizes organoid formation and enables subtype-specific invasion analysis under defined biomechanical conditions. Collagen-based microcavity arrays ensure precise spatial positioning of individual patternoids, enabling high-resolution imaging and uniform mechanical confinement. Inter-organoid heterogeneity is minimized, and reproducibility enhanced through documentation of the initial cell number (c0). The platform allows systematic investigation of how matrix stiffness and geometric curvature influence PDAC invasion and EMT plasticity. Patternoids derived from primary murine epithelial (E-9591), hybrid (Mlow-8028), and mesenchymal (M-16992) PDAC subtypes were assessed for invasion dynamics, EMT marker expression, and responses to mechanical and pharmacological perturbations. Quantitative imaging revealed subtype-specific invasion modes. Epithelial patternoids showed collective invasion upon reaching confluence, hybrid EMT patternoids initiated branching invasion prior to confluence, and mesenchymal patternoids exhibited immediate, branched invasion regardless of spatial confinement. Using vinculin-based tension sensors, we observed increased tension at cell-matrix adhesions in high-curvature regions, which correlated with invasion sites—suggesting mechanical stress primes these regions for invasion initiation. To examine the role of proteolytic mechanisms, we inhibited matrix metalloproteinases (MMPs) using Batimastat. Both mesenchymal and hybrid EMT patternoids showed reduced matrix penetration and increased protrusion formation after inhibition, shifting toward a mechanically limited, epithelial-like invasion mode. These findings demonstrate the adaptive plasticity of PDAC subtypes under biomechanical and pharmacological constraints. In summary, the patternoid platform enables reproducible analysis of invasion strategies, mechanical adaptation, and drug responses under well-defined conditions. Future integration of PDOs, immune and stromal elements, and automated high-throughput workflows will extend its utility for functional precision oncology. Correlating in vitro drug responses with patient outcomes will be key to validating its predictive value and informing EMT- and TME-targeted therapies. Personalisierte Krebstherapien kombinieren zunehmend genomische Charakterisierung mit funktionellen Tumormodellen, um individuelle Therapieprognosen zu verbessern. Patientenderivierte Organoide (PDOs) sind hierfür vielversprechend, erfassen jedoch zentrale Aspekte der Tumormikroumgebung (TME) wie Plastizität, Invasion und Therapieresistenz unzureichend. Ihre sphärische Morphologie prädestiniert sie für Zellüberlebensassays, limitiert jedoch die Untersuchung von Invasionsmechanismen und mindert die translationale Relevanz. Das Pankreaskarzinom (PDAC) ist durch ausgeprägte Invasivität und phänotypische Heterogenität gekennzeichnet. Dynamische Übergänge zwischen epithelialen, mesenchymalen und hybriden Zellzuständen fördern Metastasierung und Therapieresistenz. Bestehende Modelle sind jedoch nicht in der Lage, diese Transitionen systematisch oder unter definierten mechanischen Bedingungen zu untersuchen. Zur adressierten Problematik wurde eine 3D-patterned Organoid-Plattform („Patternoids“) entwickelt, die eine standardisierte Formation und funktionelle Charakterisierung von Invasion erlaubt. Biomimetische Kollagen-Mikrostruktursarrays ermöglichen die präzise räumliche Positionierung einzelner Patternoids innerhalb der Matrix. Dies erleichtert die Bildgebung, definiert die biomechanischen Randbedingungen einheitlich und minimiert inter-organoide Heterogenität. Zusätzlich wird durch Dokumentation der initialen Zellzahl (c0) eine Vergleichbarkeit zwischen Experimentreihen sichergestellt. Das System erlaubt die systematische Untersuchung der biophysikalischen Regulation von Invasion und EMT anhand definierter Matrixsteifigkeiten und geometrischer Krümmungen. Primäre murine PDAC-Zelllinien unterschiedlicher Subtypen – epithelial (E-9591), hybrid-EMT (Mlow-8028) und mesenchymal (M-16992) – wurden hinsichtlich Invasionsverhalten, EMT-Markerexpression und Reaktion auf mechanische und pharmakologische Perturbationen analysiert. Epitheliale Patternoids zeigten kollektive Invasion erst nach Konfluenz infolge räumlicher Restriktion. Hybrid-EMT-Patternoids entwickelten verzweigte Invasion früher, während mesenchymale Patternoids eine unmittelbare, weitverzweigte Invasion unabhängig von Konfluenz aufwiesen. Eingesetzte Vinculin-Spannungssensoren zeigten, dass hohe Krümmungen mit erhöhter mechanischer Spannung auf Vinculin und lokal verstärkter Invasion korrelieren. Morphologische Analysen deuteten auf mechanisch komprimierte Zellbereiche als Startpunkte invasiver Prozesse hin. Durch Inhibition von Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) mittels Batimastat konnte gezeigt werden, dass mesenchymale und Hybrid-EMT-Patternoids stark von proteolytischer Matrixmodifikation abhängen. Nach Inhibition verstärkten beide Subtypen die Protrusionsbildung, konnten jedoch nicht mehr in die Matrix eindringen und wechselten zu einem mechanisch limitierten Invasionsmodus. Diese Plastizität belegt die Eignung des Systems zur Modellierung adaptiver Invasionsstrategien. Die Patternoid-Plattform stellt ein reproduzierbares System zur Untersuchung von Invasionsmechanismen, mechanischer Zellantwort und Arzneimittelreaktionen unter definierten biomechanischen Bedingungen dar. Perspektivisch sollen PDOs, Immun- und Stromakomponenten sowie Hochdurchsatzverfahren integriert werden, um die klinische Relevanz weiter zu steigern. Eine Korrelation mit Patientendaten könnte die Plattform als Werkzeug der funktionellen Präzisionsonkologie etablieren.