Reverse Clinical Engineering^®

Mit In-vitro-Diagnostik an Patienten-abgeleiteten 3D-Tumormodellen zur modernen Präzisionsonkologie

Mit dem Reverse Clinical Engineering^® (RCE) hat ASC Oncology ein ergänzendes Testverfahren entwickelt, mit dem überprüft werden kann, welche medikamentösen Krebstherapien beim individuellen Patienten mit malignem soliden Tumor mit hoher Wahrscheinlichkeit wirken und welche nicht. Die Methode zählt zu den In-vitro-Diagnostika und basiert auf Patienten-abgeleiteten 3D (PD3D^®)-Zellkulturen, sogenannten Tumororganoiden, die aus einer vitalen Tumorprobe des Patienten gewonnen werden. Durch das RCE-Testverfahren stehen dem behandelnden Arzt zusätzliche Daten zur Verfügung, die es ihm und dem Patienten erleichtern eine optimale Therapieentscheidung zu treffen. So kann so früh wie möglich eine personalisierte Therapie mit voraussichtlich höheren Überlebenschancen und besserer Lebensqualität ausgewählt werden sowie eine wahrscheinlich unwirksame Behandlung samt potentieller ungewollter Nebenwirkungen vermieden werden. 

Medizinischer Bedarf

Das Reverse Clinical Engineering^®-Testverfahren als wertvolle ergänzende Diagnostik für die optimale Therapieentscheidung

Tumore weisen eine erhebliche Heterogenität auf, was eine Herausforderung für die Behandlung darstellt (Burrell et al., 2013): während viele Tumore auf empfohlene Standardtherapieregime ansprechen, gibt es einen bedeutenden Anteil an Non-Respondern, bei denen etablierte Therapiekonzepte nicht die erhoffte Wirkung zeigen. Indem das RCE-Testverfahren ergänzende Daten für die Therapieentscheidung zur Verfügung stellt, werden Ärzte dabei unterstützt, ihren Patienten die am besten geeignete Therapie mit den höchsten Erfolgschancen anbieten zu können.

Reverse Clinical Engineering^® + klinische Studiendaten = mehr Erkenntnisse

Das Testverfahren stellt eine wichtige Ergänzung zu randomisierten kontrollierten Studien (RCTs) dar. Im Sinne einer n = 1-Studie ermöglicht es die Wirksamkeit von medikamentösen Therapien für den einzelnen Patienten ganz individuell vor Therapiebeginn zu bestimmen. Hingegen können RCTs die generelle Wirksamkeit und Sicherheit einer Therapie untersuchen. Die Aussagekraft für den einzelnen Patienten bleibt dabei jedoch begrenzt, da sich aus den ermittelten Durchschnittswerten großer Kohortenstudien nur bedingt das individuelle Ansprechen ableiten lässt.

Mit dem Reverse Clinical Engineering^® auf dem Weg zu einer verbesserten individuellen Therapieentscheidung

Personalisierte Therapiekonzepte und Stratifizierungsmöglichkeiten nach molekularen Tumorsubtypen finden zunehmend Einzug in den klinischen Alltag. Jedoch steht die Präzisionsmedizin noch am Anfang: Studien ergaben, dass mithilfe von Sequenzierungen bei weniger als der Hälfte der Patienten therapeutisch verwertbare Treibermutationen ausfindig gemacht werden konnten und lediglich 0,8-3 % der Patienten anschließend von einer abgestimmten Therapie profitieren konnten (Tannock & Hickman, 2019).

Die wissenschaftliche Evidenz dafür wächst, dass Tumore eine Heterogenität bzw. Plastizität aufweisen, die über die genetische Ebene hinausreicht ­(Brock & Huang, 2017). Der Zellverbund und die Mikro-Umgebung scheinen Einfluss darauf zu haben, wie der Tumor auf eine Behandlung reagiert und ob beispielsweise Resistenzen entstehen (Huang, 2021). Wie die Plastizität das Therapieansprechen des Tumors beeinflusst, lässt sich durch Genom-Sequenzierung oder andere Formen der Biomarkerbestimmung bisher noch ungenügend abbilden. Ein Teil davon kann in Patientenabgeleiteten 3D-Tumormodellen jedoch erhalten werden (Walter et al., 2021, Yao 2020, Yang et al., 2022) – weshalb das Testverfahren eine wertvolle Ergänzung in der Diagnostik darstellt. 

Reverse Clinical Engineering^® um das Risiko weiterer Therapielinien zu reduzieren

Mit jeder weiteren Therapielinie verschlechtert sich die Prognose für den Patienten, da die Wahrscheinlichkeit eines Therapieansprechens deutlich abnehmen kann (Kessous et al., 2020). Das RCE-Testverfahren hilft dabei frühzeitig die bestmögliche Therapieoption zu identifizieren, sodass das Risiko einer unwirksamen Behandlung sowie daraus resultierender weiterer Therapielinien minimiert werden kann. Auch bei seltenen oder austherapierten Tumoren, für die Leitlinienempfehlungen oft nur mit geringem Evidenzgrad vorliegen, kann das Testverfahren helfen rechtzeitig die richtige Therapieoption zu identifizieren. 

Funktionsweise des Testverfahrens

Das RCE-Testverfahren basiert auf PD3D^®-Tumormodellen, sogenannten Organoiden. Unsere Wissenschaftler haben gemeinsam mit Partnern aus der Pharmaforschung eine automatisierte Plattform entwickelt, mit der Tumororganoide im Hochdurchsatz parallelisiert und standardisiert untersucht werden können (Boehnke et al., 2016). Das Verfahren hat beim National Cancer Institute (NCI) den Einsatz des NCI60 Panels zur prä-klinischen Medikamententestung inzwischen vollständig abgelöst und wurde vom NCI als „best practice approach“ gekürt (Ledford, 2016, Boehnke et al., 2016, NCI, 2019).

Von der frischen Gewebeprobe zum Patienten-abgeleiteten 3D-Tumormodell

PD3D^®-Tumormodelle können aus frischen Gewebeproben wie Resektaten oder Biopsien gewonnen werden. Dafür wird die Probe im Labor mechanochemisch aufbereitet und lebende Tumorzellen anschließend in einer Matrix kultiviert. Diese ähnelt der menschlichen extrazellulären Basalmembran und imitiert so die komplexe Umgebung des Tumors. Die Matrix bildet außerdem ein Hydrogel, dass es den Zellen erlaubt dreidimensional zu wachsen. Zudem wird jede einzelne Tumorentität in einem eigens optimierten Medium kultiviert, dass das Wachstum der Tumorzellen begünstigt und die Vermehrung anderer nicht entarteter Zellen der Probe begrenzt. So können sich aus den Tumorzellen Organoide entwickeln, die aus organspezifischen Zelltypen aufgebaut sind und räumlich ähnlich organisiert sind, wie im Ursprungsorgan des Tumors. 

Die Organoide weisen genomische, molekulare und phänotypische Eigenschaften des Patiententumors auf, die auch über mehrere Passagen in Langzeitkulturen stabil aufrechterhalten werden können (Sachs et al.,2018). Als präzise und klinisch relevante Kopien, können sie auch verschiedene Subtypen und die intratumorale Heterogenität des Patiententumors abbilden (Kopper et al., 2019, Sharick et al., 2020). 

Von der Substanztestung bis zur Erstellung des Sensitivitätsprofils 

Nachdem die PD3D^®-Modelle angelegt und vervielfältigt wurden, können die infrage kommenden medikamentösen Therapien getestet werden. Dafür werden die Tumororganoide in 96- oder 384-Well-Platten kultiviert, automatisiert und parallelisiert mit den zu testenden Substanzen behandelt und anschließend die Zellviabilität gemessen und ausgewertet. 

Um klinisch relevante Ergebnisse zu erzielen, werden die Wirkstoffe in unterschiedlichen Konzentrationen untersucht, die sich an der klinisch messbaren maximalen Konzentration (C_max) des jeweiligen Wirkstoffs im Blutplasma orientieren. Die Zellviabilität wird mittels eines ATP-abhängigen Lumineszenz-Assays bestimmt. Dabei wird der ATP-Gehalt der behandelten Tumororganoide quantifiziert, welcher direkt proportional zur Anzahl der stoffwechselaktiven, lebensfähigen Zellen ist (Crouch et al., 1993). 

Anhand der Daten lässt sich anschließend der IC₅₀-Wert ermitteln, der angibt, welche Wirkstoffkonzentration zur halbmaximalen Wachstumshemmung der Tumorzellen führt. Liegt der IC₅₀-Wert oberhalb des C_max-Wertes (IC₅₀ > C_max) ist es unwahrscheinlich, dass die Therapie beim Patienten zu einem effektiven Tumoransprechen führt. Ein niedrigerer IC₅₀, der unterhalb des C_max liegt (IC₅₀ < C_max), wird mit größerer Wahrscheinlichkeit das Wachstum der Tumorzellen hemmen und zu einem Therapieansprechen führen. 

Abschließend erstellen wir in durchschnittlich 28 Tagen nach Probeneingang einen Bericht, der eine detaillierte Auswertung und grafische Aufbereitung der Daten sowie konkrete Empfehlungen für die nachfolgende Therapieentscheidung enthält. Wichtig: Die Empfehlung sollte immer im Zusammenhang mit weiteren Daten im klinischen Gesamtbild interpretiert werden und als wertvolle, ergänzende Entscheidungshilfe für die Therapieplanung mit dem Patienten verstanden werden. 

Performance

Die Anwendung von Tumororganoiden für eine verbesserte personalisierte Therapie wurde in internationalen ko-klinischen Studien demonstriert. Das Verfahren wird zudem vom NCI seit 2017 als „best practice approach“ zur Medikamententestung an Tumororganoiden empfohlen und hat sich in der Präklinik bereits etabliert (Boehnke et al., 2016, NCI, 2019). Zudem bereitet ASC Oncology eine multizentrische internationale Phase IV Studie in der Erstlinientherapie von schwer behandelbaren Tumorerkrankungen mit der Medizinischen Universität Innsbruck als leitendes Prüfzentrum vor. 

Akkreditierung

Das Labor, in dem das RCE-Testverfahren durchgeführt wird, ist im Bereich der Datendokumentation und Datenverarbeitung konform mit den Anforderungen nach ISO Standards ISO 13485 und ISO 15189, GxP, FDA CFR 21 Part 11 und HIPAA-Datensicherheitsmaßnahmen und -richtlinien. Eine entsprechende ISO-Zertifizierung befindet sich in der Vorbereitung.

Medizinische Statistik

Eine Metaanalyse 17 ko-klinischer Studien (u.a. beim kolorektalen Karzinom, Rektalkarzinom, Magenkarzinom, Pankreaskarzinom, Ovarialkarzinom und Mammakarzinom; Wensink et al., 2021) ergab folgende Spezifikationen für das Testverfahren an Tumororganoiden:

Diagnostische Sensitivität:     81 % (95 %-KI: 0,69 – 0,89)

Diagnostische Spezifität:        74 % (95 %-KI: 0,64 – 0,82)

Bei individuellen Tumorentitäten ergaben ko-klinische Studien folgende Werte:

Effektivität – höhere Chance auf ein verbessertes Therapieansprechen 

Mehr als verdoppeltes progressionsfreies Überleben (PFS) nach Tests an patienteneigenen Tumorzellen

Bei Patienten mit Lungenkrebs verlängerte sich das PFS signifikant durch den Einsatz von Tests an patienteneigenen Tumorzellen um mehr als das doppelte von 8,5 auf 18 Monate (Chen et al., 2018).

Verlängertes rezidivfreies Überleben (RFS) nach Tests an Patienten-abgeleiteten Tumororganoiden

Patienten mit einem Pankreaskarzinom, die basierend auf In-vitro-Tests an individuellen Tumororganoiden als „Responder“ für eine adjuvante Therapie eingestuft wurden, wiesen ein RFS > 12 Monate nach einer operativen Resektion auf, wohingegen die Erkrankung bei Patienten, die aufgrund der In-vitro-Daten als „Non-Responder“ eingestuft wurden, innerhalb eines Jahres unter der adjuvanten Therapie rezidivierte (Sharick et al., 2020).  

Lebensqualität – Verbesserte Patientenzufriedenheit  

Gesteigerte Adhärenz und Vermeidung potentiell ungewollter Nebenwirkungen von wenig erfolgsversprechenden Therapien durch Präzisionsmedizin

Maßgeschneiderte Therapiepläne mit möglichst geringen Nebenwirkungen und die Teilhabe des Patienten an der Therapieentscheidung können die Adhärenz, das Vertrauen, die Versorgungsqualität und somit den Erfolg einer Krebsbehandlung begünstigen (Shingler et al., 2014, Kehl et al., 2015).

Mehrwert für das Gesundheitssystem

Anforderungen und Einschränkungen

FAQ