Developing and characterizing stroma-enriched 3D $in~vitro$ tumor models for imaging and drug delivery applications

Daware, Rasika Virendra; Lammers, Twan; Weiskirchen, Ralf

doi:10.18154/RWTH-2026-07994

Developing and characterizing stroma-enriched 3D $in~vitro$ tumor models for imaging and drug delivery applications

Daware, Rasika Virendra^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rasika Virendra Daware

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Lammers, Twan (Thesis advisor)^RWTH* ; Weiskirchen, Ralf (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-07994
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1040560/files/1040560.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Experimentelle Molekulare Bildgebung (924210)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D in vitro models (frei) ; cancer-associated fibroblasts (frei) ; new approach methodology (frei) ; tumor spheroids (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Aufgrund der hohen Kosten, des hohen Zeitaufwands, ethischer Bedenken und der begrenzten Übertragbarkeit tierexperimenteller Ergebnisse auf den Menschen, besteht ein großes Interesse an Alternativen zu Tierversuchen. Jüngste Fortschritte bei der Entwicklung multizellulärer Tumorsphäroide und komplexer Tumor-on-Chip-Modelle haben vergleichbare Ergebnisse zu Tiermodellen gezeigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene präklinische In-vitro-Tumormodelle untersucht, von 2D-Kokulturen über 3D-Tumorsphäroide bis hin zu dynamischen Kultivierungssystemen, um die Lücke zwischen konventionellen 2D-Kulturen und In-vivo-Tumormodellen zu schließen. Dabei wurden unter anderem die Aufnahme von Nanopartikeln, die Zytotoxizität, Kombinationstherapien und Tumor-Stroma-Interaktionen analysiert, die durch verschiedene CAF-Subtypen gesteuert werden. Die Bewertung der Zytotoxizität an 3D-Hetero-sphäroiden erfolgte durch Überwachung der Veränderungen der Sphäroidgröße, Zellviabilitätsassays, Färbungen von Zelltodmarkern und Analyse der Wirkstoff-verteilung. Darüber hinaus wurden CAF-Subtypen in vitro durch gezielte Zytokin-Stimulation erzeugt. Der Einfluss spezifischer CAF-Subtypen und der Zytokin-Stimulation auf die Eigenschaften der Tumorsphäroide wurde während Langzeitkultivierungsversuchen systematisch analysiert. Die Studie bewertete außerdem die Robustheit dynamisch kultivierter mesoskopischer Bioreaktoren. In diesen Modellen wurden fibrotische und angiogene patientenabeleitete Tumorsphäroide gezüchtet und die Ergebnisse mit Xenotransplantat-Maus-modellen verglichen. Darüber hinaus wurden diese Bioreaktoren auch eingesetzt, um die CAF-gesteuerte Modulation von Tumoren und ihrer Mikroumgebungen zu untersuchen. Dazu wurden das Wachstum von Tumorsphäroiden, der Aufbau von Gefäßnetzwerken und die fibrotische Aktivität mittels 2D-Fluoreszenzreflexionsbildgebung unter Verwendung einer PDGFR-β-spezifischen BIPPB-Sonde gemessen. Diese Arbeit stellt die erste Anwendung von mesoskopischen Bioreaktoren für die molekulare Bildgebung dar. Insgesamt liefert die Arbeit wertvolle Erkenntnisse über Tumor-Stroma-Interaktionen und unterstreicht das Potenzial von In-vitro-Systemen für das Therapiescreening und die molekulare Bildgebung in der präklinischen Krebsforschung.

Due to the high cost and time consumption, various ethical concerns, and poor predictive outcomes for human clinical trials, there is a strong interest in finding alternatives to animal testing. Recent advancements in the use of multicellular tumor spheroids and sophisticated tumor-on-chip models have shown comparable results to in vivo animal models.Taking this together, this thesis has explored development of various in vitro preclinical cancer models, ranging from 2D co-cultures, 3D tumor spheroids to dynamic cultivation systems for bridging the gap between simple 2D cultures and in vivo tumor models. It evaluates nanoparticle uptake, cytotoxicity, combination therapies, and tumor-stroma interactions driven by distinct CAF subtypes. Cytotoxicity assessment on 3D hetero-spheroids was conducted by monitoring changes in spheroid size, performing cell viability assays, staining for cell death markers, and evaluating drug distribution. Further, CAF subtypes were generated in vitro via cytokine stimulation, and the effect of specific CAF subtype and cytokine stimulation on tumor spheroid characteristics were systematically analyzed during long-term cultivation. The study further assessed the robustness of dynamically cultivated mesoscopic bioreactors by growing fibrotic and angiogenic patient-derived tumor spheroids and comparing outcomes with xenograft mouse models. Additionally, these bioreactors were also employed to investigate CAF-driven modulation of tumors and their microenvironments, measuring tumor spheroid growth, vascular network assembly and, fibrotic activity through 2D fluorescence reflectance imaging using a PDGFR-β-specific BIPPB probe. This thesis represents the first application of mesoscopic bioreactors for molecular imaging. Overall, the thesis provides valuable insights into tumor-stromal interactions and demonstrates the value of in vitro systems for therapy screening and molecular imaging in preclinical cancer research.

OpenAccess:
PDF
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