Zirkulierende Tumorzellen (CTC) sind Krebszellen, die vom Primärtumor oder von Metastasen in die Blutbahn ausgeschieden werden. Sie sind ein universeller Biomarker für die Diagnose und Behandlung von Krebserkrankungen. Die Menge der im Blut vorhandenen CTCs kann zur Krebsdiagnose oder zur prognostischen Einschätzung herangezogen werden. Die Beobachtung der CTC-Zahl über die Zeit ermöglicht auch eine quantitative Analyse des Therapieerfolgs. Die transkriptomische und proteomische Analyse von CTCs kann zur Therapiestratifizierung genutzt werden. Darüber hinaus können CTCs kultiviert und zur Modellierung der Krebserkrankung und Wirkstofftestung verwendet werden. Aufgrund der Seltenheit von CTCs im Blut (1-10 CTCs/ml) und der Tatsache, dass Blut etwa sechs Milliarden Zellen pro Milliliter enthält, bleibt es jedoch eine technische Herausforderung, CTCs zuverlässig für eine akkurate nachgeschaltete Analyse zu isolieren. Die derzeitigen Isolierungsmethoden konzentrieren sich nach wie vor auf ex vivo-Ansätze, bei denen CTCs durch markerunabhängiger Isolierung, negativer- oder positiver Isolierung in einer 7,5-ml-Blutprobe nachgewiesen werden. Zu den Nachteilen dieser Methoden gehören unter anderem, dass es durch die geringe Reinheit (unspezifischen Zellen werden ebenfalls isoliert), den Verlust von CTCs während der Arbeitsschritte und aufgrund der geringen Zellanzahl in kleinen Blutproben häufig nicht gelingt CTCs zu isolieren. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde die BiomarkerProbe (BMProbe™) entwickelt, die in der zu dieser Promotion gehörenden Publikation „Verification of a novel minimal invasive device for the isolation of rare circulating tumor cells (CTC) in cancer patients‘ blood“ vorgestellt wurde. Es handelt sich um eine neuartige, minimal invasive Sonde, die mit Antikörpern beschichtet ist und während einer 30-minütigen Inkubation CTCs aus der Vena mediana cubiti sammelt. Der in vivo-Ansatz erhöht die Wahrscheinlichkeit der CTC-Isolierung im Vergleich zu ex vivo-Techniken, durch das vergrößerte untersuchte Blutvolumen. Zum anderen wurde in Experimenten gezeigt, dass die die strömungsoptimierte Geometrie der BMProbe™ 31-mal mehr Zellen sammelt als ein flacher Draht. Um die ex vivo-Funktionalität der BMProbe™ zu verifizieren, wurde eine klinische Studie mit 10 ml Patientenblut durchgeführt. Die neun gesunden Kontrollpersonen, die an der Studie teilnahmen, hatten eine durchschnittliche Zellzahl von 0 (0-3) Zellen, während die durchschnittliche Zellzahl der sieben Krebspatienten 1 (0-4) Zellen betrug. Basierend auf der Zellzahl konnten die beiden Kohorten voneinander unterschieden werden mit einer mit einer Sensitivität von 85,7 % und einer Spezifität von 88,9 %. Diese Untersuchungen wurden in der Publikation zu dieser Arbeit veröffentlicht. Die Studien haben das große Potenzial der BMProbe™ gezeigt, die Limitationen der derzeitigen CTC-Isolierungsmethoden zu überwinden. Bei der in vivo Anwendung wird erwartet, dass die Anzahl der gesammelten Zellen stark ansteigen wird, da verglichen zur ex vivo Studie ein Vielfaches des Blutvolumens untersucht wird. Im Diskussionsteil der Dissertation werden anschließend die Stärken diskutiert, wie zum Beispiel der Nachweis, dass die Sonde mit verschiedenen Antikörpern beschichtet werden kann. Ebenfalls werden die Limitationen der durchgeführten Experimente beleuchtet. Dies umfasst eine Bewertung des Fließsystems, welches unphysiologische Durchflussbereiche aufweist welche zu Zellverlusten führen können. Anschließend wird die Translation in die Klinik diskutiert und es werden mögliche weitere Forschungsthemen vorgeschlagen, einschließlich der Kombination mehrerer Antikörper auf einer Sonde. Die Arbeit schließt mit der Nennung nötiger nächster Schritte ab, zum Beispiel der Überprüfung der in vivo-Funktionalität der BMProbe™ in einer klinischen Studie.
Circulating tumor cells (CTCs) are cancer cells that are shed from the primary tumor or metastatic sites into the bloodstream. They are a universal biomarker in the diagnosis and treatment of cancer. The quantity of CTCs present in the blood can be used to diagnose cancer or make prognostic evaluations. Monitoring the CTC count over time also allows a quantitative analysis of the treatment response. A transcriptomic and proteomic analysis of CTCs can be used for treatment stratification. In addition, CTCs can be cultured and used for disease modeling and drug discovery. However, due to the rarity of CTCs in the blood (1–10 CTCs/mL) and the fact that blood contains approximately six billion cells per milliliter, reliable detection of CTCs for an accurate downstream analysis remains a technical challenge. Current isolation methods continue to focus on ex vivo approaches that target CTCs by label-free isolation, negative selection, or positive selection in a 7.5 mL blood sample. Disadvantages of these methods include low purity (due to also isolating nonspecific cells), loss of CTCs during processing steps and failure to isolate CTCs due to small blood samples and the rarity of CTCs in the blood. To overcome these limitations the BiomarkerProbe (BMProbe™), introduced in the publication “Verification of a novel minimally invasive device for the isolation of rare circulating tumor cells (CTC) in cancer patients’ blood” has been developed. It is a novel minimally invasive device that is coated with antibodies for the collection of CTCs from the median cubital vein during a 30-minute incubation. The in vivo approach enhances the likelihood of CTC isolation compared to ex vivo techniques by increasing the screened blood volume. Further, the experiments show that the flow-optimized geometry of the BMProbe™ binds 31 times more cells than a flat wire. Further, to verify the ex vivo functionality of the BMProbe™, a clinical study using 10 mL of patient blood was performed. The nine healthy controls included in the study had a median cell count of 0 (0–3) cells, compared to a median cell count of 1 (0–4) cell for the seven cancer patients. Based on the cell count, it was possible to distinguish between the two cohorts with a sensitivity of 85.7% and specificity of 88.9%. These studies were published in the publication corresponding to this thesis. The studies have demonstrated the great potential of the BMProbe™ to overcome the limitations of current CTC isolation methods. It is expected that the number of bound cells in an in vivo application of the probe will be greatly increased compared to the results obtained in the ex vivo study, as a multiple of the blood volume will be screened. The thesis then discusses the strengths of the shown studies, e.g. the demonstration that the probe can be coated with different antibodies. Further, the limitations of these studies, including the unphysiological flow regions of the flow system that can lead to cell loss are highlighted. Then, the translation into the clinic is discussed and possible further research topics, including combining multiple antibodies on one probe, are suggested. The thesis concludes by proposing possible next steps, including testing the in vivo functionality of the BMProbe™ in a clinical study.
