Im SATURN3 Konsortium wird die intratumorale Heterogenität (ITH) in schwer behandelbarem Brustkrebs (BC, Luminal-B, TNBC), Kolorektalem Karzinom (CRC), Bauchspeicheldrüsenkrebs (PDAC) untersucht. Das Universitätsklinikum Essen generiert Bioproben aus mehreren Tumorläsionen von Patientinnen und Patienten, die an metastasiertem Bauchspeicheldrüsenkrebs leiden, in zeitlicher und räumlicher Auflösung. Zusätzlich erfolgen eine molekulare Bildgebung zur Darstellung des Tumormikromilieus und die Sammlung von Blutproben von Erstdiagnose über das Fortschreiten der Erkrankung unter Therapie. Das aufgearbeitete Material und die Datensätze werden im Gesamtverbund für molekulare und bioinformatische Analysen zur Verfügung gestellt, um eine einzigartige räumlich-zeitliche Charakterisierung der Tumorentwicklung unter Therapie zu ermöglichen. Die detailliert und computergestützt ausgewerteten Erkenntnisse werden funktionell in Patienten-abgeleiteten Organoid-Modellsystemen untersucht, um Mechanismen der Resistenzentwicklung und Metastasierung zu identifizieren. Es werden biologische und klinische Daten und Erkenntnisse in Biomarker-Tests übertragen, die in großen Patientenkohorten validiert und in der Routine angewendet werden können. Auch werden Standardprozeduren für die optimale Nutzung in der Probengenerierung, -handhabung und -aufbereitung erarbeitet und zur Anwendung gebracht. Die Anwendung modernster Technologien und Methoden inklusive Künstlicher Intelligenz erlaubt eine bessere Vorhersage und Verständnis von ITH-vermitteltem Therapieansprechen/-resistenz und Metastasierung im klinischen Alltag. Darauf aufbauende Therapiestrategien sollen für klinische Studienprotokolle entwickelt werden. Ein professionelles Projektmanagement, eine intensive Patientenbeteiligung (Forschungspartnerschaft) und Öffentlichkeitsarbeit, gewährleisten einen optimalen Ablauf.

Therapieresistenz und Metastasierung gehören zu den bedeutendsten Problemen in der modernen Krebsmedizin. Beide Phänomene werden durch die intra-tumorale Heterogenität (ITH) maßgeblich gesteuert und getrieben. Im SATURN3 Projekt werden zahlreiche neue Technologien angewendet und kombiniert um die ITH bei Brust-, Dickdarm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs zu entschlüsseln. Im besonderen werden die Daten verwendet um Mechanismen der Therapieresistenz und der Metastasierung im Verlauf der Krebserkrankung in Patientinnen und Patienten zu identifizieren. Die neuen Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung neuer innovativer diagnostischer und therapeutischer Ansätze zur Krebsbekämpfung und dienen als Grundlage für neue klinische Studien. Die in den Teilprojekten gesammelten Tumor-Proben werden durch Anwendung und Kombination genomweiter DNA- und RNA-Sequenziermethoden (Omics-Technologien) auf mehreren Ebenen molekulargenetisch detailliert charakterisiert. Um die intratumorale Heterogenität und die klonale Dynamik z. B. unter Therapiestress in Patienten abzubilden, werden in longitudinalen Untersuchungen die molekularen Profile der Krebszellen und deren Mikromilieu mit Auflösung auf Einzelzellniveau erstellt. Mittels bioinformatischen Methoden werden dann die molekularen Mechanismen identifiziert, die zur Therapieresistenz und Metastasierung führen. Neben der Analyse von lebendem Biopsiematerial und deren Expansion als Organoide werden begleitend auch genomische Analysen von Flüssigbiopsien (Blut) durchgeführt, die es erlauben die klonale Evolution nicht-invasiv zu verfolgen. Alle genomweiten Sequenzierungen einschließlich der Einzelzellanalysen werden zentral an der DKFZ High-Throughput Sequencing Core Facility durchgeführt. Das Nutzen dieser zentralisierten Omics-Infrastruktur minimiert Batch-Effekte, gewährleistet höchste technische Reproduzierbarkeit und sorgt für eine nahtlose bioinformatische Analyse und Big-Data Datenverwaltung, einschließlich deren Weitergabe an die Partner.

In den Forschungsgruppen der TU München werden im Kontext des SATURN3-Konsortiums Bioprobensammlungen von Patienten, die an Bauchspeicheldrüsen- oder Dickdarmkrebs leiden, unter Behandlung in zeitlicher und räumlicher Auflösung generiert. Die Biomaterialentnahme erfolgt von Erstdiagnose über das Vorschreiten der Erkrankung und in einigen Fällen bis zum Tod der Patienten. Da eine verlässliche molekulare Analyse von Gewebeproben maßgeblich von hoher Expertise in der Probengenerierung, -handhabung und -aufbereitung abhängt, werden Standardprozeduren für die Gewebsvorbereitung für Hochdurchsatzeinzelzellanalytik erarbeitet und konsortiumsweit zur Anwendung gebracht. Zusätzlich wird ein schon etabliertes bildgestütztes postmortales Multiorgan-Biopsieprogramm für verstorbene Patienten mit Bauchspeicheldrüsen- und Dickdarmkrebs etabliert. Das aufgearbeitete Material wird auch vielen weiteren SATURN3-Gruppen für tiefgreifende molekulare Einzelzellanalysen zur Verfügung gestellt, gemeinsam wird somit eine einzigartige räumlich-zeitliche Charakterisierung der Tumorentwicklung unter Therapie in diesen Krebsformen möglich. Die tiefgehenden und computergestützt ausgewerteten sowie mechanistisch in Modellsystemen überprüften biologischen Daten und Erkenntnisse werden sodann von Gruppen der TU München in diagnostische Tests übertragen, die auch in der Routine angewendet werden können. Durch neue Gewebe- und Blutprobenanalysen unter Anwendung modernster molekularer Technologien und computergestützter Methoden inklusive Künstlicher Intelligenz wird hierdurch eine bessere Vorhersage von Therapieansprechen, dem Vorhandensein minimaler Resterkrankung und früher/später Tumorrekurrenz auf der Basis von Heterogenitätsbiomarkern im klinischen Alltag möglich. Als Konsequenz können Patienten eine im Individualfall wirksamere, auf ihren Tumor optimal abgestimmte Therapie erhalten.

Die Möglichkeit, klinische Entscheidungen auf der Grundlage genomischer Datensätze zu treffen und eine geeignete personalisierte Therapie zu konzipieren, hat begonnen therapeutische Optionen bei Krebsbehandlungen radikal zu verändern. Die derzeitige Umsetzung dieser Ansätze berücksichtigt jedoch nicht die molekulare und zelluläre intratumorale Heterogenität (ITH), die für die Entwicklung therapieresistenter und metastatischer Klone verantwortlich ist. Diese Lücke will das multidisziplinäre SATURN3-Konsortium für drei häufige, schwer zu behandelnde Tumorarten schließen: 1) Brust-, 2) Darm- und 3) Bauchspeicheldrüsenkrebs. Das Gesamtziel ist die Entwicklung neuer Diagnostika und ganzheitlicher Therapiekonzepte um Patientinnen und Patienten mit einer dieser, bisher schwer behandelbaren, Krebserkrankungen neue, bessere und personalisierte Behandlungsoptionen zu bieten. Am EMBL werden computergestützte Methoden entwickelt und eingesetzt, um die räumliche und zeitliche Tumorheterogenität mittels neuartiger Ansätze auf Grundlage von multi-omischer Bioinformatik, maschinellem Lernen / künstlicher Intelligenz und mechanistischer Modellierung zu charakterisieren und aufzulösen. Des weiteren werden Methoden zur Datenintegration entwickelt und eingesetzt. Das EMBL wird zusätzlich an der Auswahl der bestmöglichen Assays und Proben beteiligt sein und so entscheiden, welche experimentellen Assays innerhalb des Konsortiums durchgeführt werden sollen. Das Datenanalyse-Zentrum wird innerhalb des Forschungskonsortiums konsistente Datenanalysen ermöglichen, sowie auch den effizienten und sicheren Zugang zu allen Daten sicherstellen. Dabei wird die Cloud-Infrastruktur des Deutsches Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur (de.NBI) genutzt und automatisierte Analyse-Workflows entwickelt und zur Verfügung gestellt (German Human Genome-Phenome Archive, GHGA).

Therapieresistenz und Metastasierung gehören zu den bedeutendsten Problemen in der modernen Krebsmedizin. Beide Phänomene werden durch die intra-tumorale Heterogenität (ITH) maßgeblich gesteuert und getrieben. Im SATURN3 Projekt werden zahlreiche neue Technologien angewendet und kombiniert um die ITH bei Brust-, Dickdarm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs zu entschlüsseln. Im besonderen werden die Daten verwendet um Mechanismen der Therapieresistenz und der Metastasierung im Verlauf der Krebserkrankung in Patientinnen und Patienten zu identifizieren. Die neuen Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung neuer innovativer diagnostischer und therapeutischer Ansätze zur Krebsbekämpfung und dienen als Grundlage für neue klinische Studien. Die in den Teilprojekten gesammelten Tumor-Proben werden durch Anwendung und Kombination genomweiter DNA- und RNA-Sequenziermethoden (Omics-Technologien) auf mehreren Ebenen molekulargenetisch detailliert charakterisiert. Um die intratumorale Heterogenität und die klonale Dynamik z. B. unter Therapiestress in Patienten abzubilden, werden in longitudinalen Untersuchungen die molekularen Profile der Krebszellen und deren Mikromilieu mit Auflösung auf Einzelzellniveau erstellt. Mittels bioinformatischen Methoden werden dann die molekularen Mechanismen identifiziert, die zur Therapieresistenz und Metastasierung führen. Neben der Analyse von lebendem Biopsiematerial und deren Expansion als Organoide werden begleitend auch auch genomische Analysen von Flüssigbiopsien (Blut) durchgeführt, die es erlauben die klonale Evolution nicht-invasiv zu verfolgen. Die erzielten Ergebnisse werden in großen Patientenkollektiven validiert und neu entwickelte Therapieverfahren in präklinischen Modellen bei HI-STEM funktionell getestet. Präklinische Datenpakete dienen dann als Basis für neue klinische Studien mit dem Ziel Therapieresitenzen zu verhindern oder zu umgehen um so Therapieoptionen für Krebspatientinnen und -patienten zu verbessern und zu erweitern.

Molekulargenetisch gestützte klinische Entscheidungsfindung und Immuntherapien haben die therapeutische Landschaft bei Krebs radikal verändert. Die derzeitige Umsetzung dieser Ansätze berücksichtigt jedoch nicht die multidimensionale intratumorale Heterogenität (ITH), die für die Entwicklung therapieresistenter und metastatischer Klone verantwortlich ist. Patientinnen mit hoch-risiko luminal-B und triple-negativen Mammakarzinomen haben trotz anfänglichem Behandlungsansprechen oft eine ungünstige Prognose, die mit primärer und/oder erworbener Therapieresistenz aufgrund von ITH als Folge von Selektionsdruck und Tumorzellevolution erklärbar ist. Beide Formen können zu Therapieversagen oder einem Wiederauftreten der Brustkrebs-Erkrankung führen. Um diese klinisch sehr schwierige Herausforderung zu lösen, sollen in diesem Forschungsvorhaben neue Biomarker zur Vorhersage des Therapieansprechens von Chemo-, Immun- und zielgerichteten Therapien (z. B. PARP- oder CDK4/6-Inhibitoren) identifiziert werden. Dazu soll die ITH bei Brusttumoren mit schlechter Prognose in archiviertem Biomaterial molekulargenetisch und morphologisch charakterisiert werden. Die Ergebnisse werden als Datengrundlage zur Entwicklung neuer ITH Biomarker Assays dienen, die anschließend in klinischen Studien der GBG prospektiv validiert werden können. Neu entwickelte Studienideen mit innovativen Therapiekonzepten sollen dabei verbesserte Behandlungsoptionen für schwer behandelbare Tumorformen eröffnen.

Eine intratumorale Heterogenität ist ein Merkmal, welches die Diskrepanz zwischen dem primären Therapieansprechen und einer anschließenden Tumorregression oder Metastasierung im Zusammenhang mit einer primären und erworbenen Therapieresistenz erklären könnte. Ziel des Vorhabens sind räumlich und zeitlich getrennte molekulare Analysen von kolorektalen Tumoren auf Einzelzellebene und eine funktionelle Validierung der Tumorheterogenität unter Verwendung von Patienten abgeleiteten Tumor-Organoid Kulturen um folgende Fragestellungen zu adressieren: 1) Einfluss der molekularen und zellulären Intra- und Interorgan-Heterogenität bei der Entstehung von Metastasen und dem Therapieansprechen durch Längsschnitt-Profilierung. 2) Die Rolle einer Strahlentherapie, konventionellen Chemotherapie und zielgerichteter Medikamenten (EGFR, VEGF) auf die Tumorheterogenität. 3) Untersuchung und Validierung von funktionellen Wechselwirkungen in Tumor- Organoid und Stromazell-Kokulturen. Weiterhin ist vorgesehen, die Ergebnisse der molekularen Grundlagenforschung zur Tumorheterogenität in bereits bestehenden Datensätzen klinischer Studienkohorten zu validieren, um langfristig den Einsatz von Biomarkern der Tumorheterogenität für die tägliche individuelle Patientenversorgung zu ermöglichen.

In den Forschungsgruppen der Onkologie werden im Rahmen des SATURN3-Konsortiums Tumor- und Blutproben von Patientinnen und Patienten, die an Dickdarmkrebs und Bauchspeicheldrüsenkrebs leiden und unter Therapie stehen, gesammelt und bezüglich Tumormikromilieu in zeitlicher und räumlicher Auflösung untersucht. Beim Darmkrebs werden Patienten über alle Tumorstadien hinweg eingeschlossen und in insgesamt drei Kohorten untersucht: Mastdarmtumore (Kohorte A), Darmtumore mit vereinzelten Metastasen und Lebermetastasen, welche resektabel sind (Kohorte B). Metastasierte Darmkrebs-Patienten aus bekannten Darmkrebstudien, die nicht operabel (Kohorte C) sind. Als Pankreaszentrum hat die LMU die Möglichkeit Patienten mit neu diagnostiziertem metastasierten Bauchspeicheldrüsenkrebs gemeinsam mit den Konsortialpartnern über einen längeren Zeitraum zu untersuchen. Gemeinsam soll im Verlauf des gesamten Projektes eine Akquise > 600 Tumorproben und > 300 Blutproben beim Darmkrebs erfolgen. Die Medizinische Klinik III hat bereits eine große Datenbank aus vorangegangenen Studien mit Tumorgewebe und Blutproben. Ziel ist eine akkurate Datenverwaltung, sowie der Aufbau einer exklusiven Biodatenbank mit Tumormaterial, Flüssigbiopsien und klinischen Daten. Diese soll gemeinsam mit den Daten der Kooperationspartner Aufschlüsse bezüglich der Heterogenität beim Darmkrebs und Bauchspeicheldrüsenkrebs erbringen und im weiteren Verlauf Hypothesen für mechanistische Testungen und klinisch translationale Projekte generieren.

Die Wechselwirkungen zwischen Tumorzellen und dem adaptiven Immunsystem gehören zu den wichtigsten Triebkräften der Tumorheterogenität, der Krebsentwicklung und der Behandlungsresistenz. Von besonderer Bedeutung in diesem Zusammenspiel sind tumorspezifische T-Zellen. Diese Wechselwirkungen führen einerseits zu einer schnellen und hochplastischen funktionellen und phänotypischen Anpassung tumorspezifischer T-Zellklone, die aus lymphatischen Organen über den Blutstrom in das Tumorgewebe gelangen. Eine solche Anpassung kann zu einer Vielzahl unterschiedlicher funktioneller Eigenschaften führen, die eher das Fortschreiten des Tumors, Behandlungsresistenz, Invasion und Metastasierung als Immunabwehr verursachen können. Andererseits weisen Tumorzellen ein sehr vielfältiges Expressionsmuster von mehreren hundert Genen auf, die eine Resistenz gegen T-Zell-Angriffe, Immunsuppression und Immunflucht vermitteln. Es wird angenommen, dass sich die Expressionsmuster dieser Immunresistenzgene und die funktionellen Differenzierungswege des T-Zell-Infiltrats durch molekulare Wechselwirkungen gegenseitig bedingen - höchstwahrscheinlich unter Beteiligung weiterer Komponenten des Tumorstromas wie Makrophagen und Fibroblasten. Um wirksame Strategien zur Durchbrechung der Tumorimmunresistenz bei schwer behandelbaren Indikationen wie TNBC, Darmkrebs oder Bauchspeicheldrüsenkrebs zu entwickeln, wird eine systematische Charakterisierung der diesem Zusammenspiel zugrunde liegenden genetischen, zellulären und molekularen Muster durchgeführt. Auf dieser Grundlage werden die wichtigsten molekularen Interaktionswege zwischen Tumor-Stroma und Immunzellen vorhergesagt und experimentell verifiziert, die bei vielen Tumoren in diesen Indikationen die Resistenz gegen Immuntherapie bestimmen.

Gegenwärtige diagnostische Ansätze zur Personalisierung von Therapiekonzepten bei Brust- und Pankreastumoren berücksichtigen in der Regel nicht die intratumorale Heterogenität (ITH), d. h. die molekularen räumlichen und zeitlichen Veränderungen, welche zwischen unterschiedlichen Tumorläsionen und im Verlauf innerhalb eines Patienten auftreten. Dies ist primär auf die singuläre Analyse von Tumorgewebe und Blut im klinischen Alltag zurückzuführen, welche nur einen "Snapshot" des räumlich-zeitlichen molekularen Tumorprofils abbilden. Innerhalb des interdisziplinären SATURN3-Konsortiums werden drei häufige, schwer zu behandelbare Tumorarten bezüglich der ITH untersucht (Brustkrebs-, Darm- und Bauchspeicheldrüsenkrebs). Aufgrund der Dynamik der ITH, ist zentrales Kernstück des Vorhabens ein umfassendes, integratives Bild der molekularen Landschaft einzelner Patientinnen und Patienten vor/nach der Therapie und der Metastasierung zu erhalten. Die beschriebenen Subprojekte, die am Universitätsklinikum Heidelberg bearbeitet werden, fokussieren zum einen auf Brustkrebs-Subtypen mit einer ungünstigen Prognose (Luminal B und TNBC) im Kontext breiter agierenden Chemo- und Immuntherapien als auch unter zielgerichteten Therapien (CDK4/6 und PARP Inhibitoren). Des Weiteren ist zentraler Fokus das metastasierte Adenokarzinom des Pankreas, welches durch wenig therapeutische Optionen und häufig schlechtem klinischen Verlauf gekennzeichnet ist. Zusammenfassend sollen als übergreifende Ziele des Forschungsvorhabens zum einen die räumlich-zeitlichen Evolutionsprozesse, welche unter Anti-Tumortherapie auftreten, besser verstanden werden. Des Weiteren sollen neue Biomarker zur Prädiktion des Therapieansprechens und molekulare Angriffspunkte definiert werden, welche perspektivisch in innovative Studien und Therapiekonzepte überführt werden.

Der Projektpartner UK Freiburg leitet das Teilprojekt zu Datenmanagement und Datenzugang innerhalb von SATURN3. Er stellt eine Datenbank zur Verfügung und stellt zugleich Datenmanagement, Datenzugang und ein entsprechendes Dashboard für das Konsortium bereit. Im ersten Schritt findet die Pseudonymisierung der Daten in der entsprechenden Treuhandstelle statt. Diese Daten, wie z. B. klinische Informationen, Probenhistorie und Biomaterialien, werden in einer zentralen Datenbank gespeichert. Die Datenbank wird zudem umfassende strukturierte Informationen, einschließlich klinischer und experimenteller Metadaten für die Omics-Verarbeitung, speichern. Zugleich wird der klinische Datensatz der Patienten durch ein eindeutiges Patientenpseudonym mit den Ergebnissen der Omics-Datenanalyse sowie mit den Rohdatensätzen in der Plattform GHGA (German Human Genome-Phenome Archive), eine Infrastruktur für Omics-Daten, verknüpft werden. Der Datenzugang und Nutzung werden unter Verwendung von Best Practices und Schnittstellen im Sinne eines FAIRen Forschungsdatenmanagements für die biomedizinische Forschungsgemeinschaft harmonisiert werden. Es wird ein benutzerfreundliches Dashboard-System für den Zugriff auf die Datensätze, die in der Datenbank gespeichert sind, entwickelt werden. Das System wird einen kompakten Überblick über die registrierten Proben und die zugehörigen Datensätze bieten und die Koordinierung der Verarbeitung von Omics-Daten für registriertes Biomaterial ermöglichen. Die Integration des Dashboard-Systems mit dem Omics-Workflow-Verarbeitungssystem wird eine schnelle Datenverteilung innerhalb des Konsortiums erleichtern. Die Nutzung der Daten für weitere und prospektive Studien wird von einem konsortialweiten Use&Access Committee (UAC) bewilligt. Das UAC wird die technische und inhaltliche Prüfung von Datenzugangsanträgen zentral durchführen, um eine effiziente Freigabe von SATURN3-Datensätzen für die Forschungsgemeinschaft zu ermöglichen.

Die frühzeitige Metastasierung und Therapieresistenz des Bauchspeicheldrüsenkrebses werden mit phänotypischer Plastizität (Wandlungsfähigkeit) und intratumoraler Heterogenität (ITH) in Verbindung gebracht. Allerdings ist das Verständnis dieser komplexen und dynamischen molekularen Veränderungen, die Metastasierung und Therapieresistenz bestimmen, noch nicht gegeben. Die Hypothese ist es daher, dass die ITH durch Organ-spezifische plastische Phänotypen und klonale Dynamiken der Tumorzellen vorangetrieben wird, die durch genomische, epigenomische und Mikroumgebungsfaktoren bestimmt werden. Das Teilprojekt (TP) 3 fokussiert auf das metastasierte Pankreaskarzinom und wird hier Biopsiematerial aus dem Primärtumor und Metastasen und Organoide sowie Flüssigbiopsien generieren, die im Konsortium durch Anwendung und Kombination genomweiter DNA- und RNA-Sequenziermethoden (Omics-Technologien) auf mehreren Ebenen molekulargenetisch detailliert charakterisiert werden. In Teilprojekt 5 werden im Rahmen der Data Science Initiative des SATURN3 Konsortiums Algorithmen und Verfahren des maschinellen Lernens zur Untersuchung intratumoraler genetischer und epigenetischer Heterogenität entwickelt und diese auf die Kohorten des SATURN3 Konsortiums angewendet. Das Ziel ist hierbei die räumlich-temporale Organisation von Tumoren im Detail zu rekonstruieren, Zusammenhänge zwischen Tumorhetereogenität und zellulären und Patientenphänotypen aufzuklären und Vorhersagen über die zukünftige Entwicklung von Tumorzellpopulationen zu ermöglichen. Dabei stehen insbesondere chromosomale Instabilität und somatische Kopienzahlaberrationen im Vordergrund der Untersuchungen. Um die Analyse tief multi-modal charakterisierter Kohorten mit geringer bis mittlerer Patientenzahl zu ermöglichen werden desweiteren Verfahren des Transfer Learnings etabliert, um Wissen aus großen bestehenden Kohorten auf die Kohorten des SATURN3 Konsortiums zu übertragen.

Patientinnen mit Hormonrezeptor-positiven und schnell wachsendem (hochproliferativen) Brustkrebs (luminal-B, lumB) oder Mammakarzinomen ohne jegliche Hormon- oder Wachstumsfaktorrezeptoren (tripel-negativ, TNBC) haben eine ungünstige Prognose. Durch Chemo- oder Immuntherapien, welche die Tumorzellen schrumpfen bzw. abtöten sollen, können durch Selektionsdruck resistente Zellen entstehen oder Zellen überleben, welche von Beginn an nicht auf die Therapie ansprachen. Diese Zellen können weiterwachsen und einen neuen "Klon" des Tumors ergeben, welcher in seinen Eigenschaften eventuell nicht mehr denen des Primärtumors entspricht. Beide Formen dieser Therapie-Resistenz beschreiben die intratumoraler Heterogenität (ITH), welche die Behandlung von Tumoren sehr schwer macht. Die ITH kann zu Therapieversagen oder einem Wiederauftreten der Brustkrebs-Erkrankung führen. Um diese klinische sehr schwierige Herausforderung zu lösen, sollen als Endprodukt dieses Forschungsvorhabens neue Biomarker zur Prädiktion des Therapieansprechens von Chemo- und Immuntherapien, sowie zielgerichtete (z. B. PARP- oder CDK4/6-Inhibitoren), neue Konzepte für klinische Studien und innovative und ganzheitliche Therapiekonzepte entstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die ITH bei Brusttumoren mit schlechter Prognose (lumB und TNBC) in bereits archivierten Tumorgewebe-Proben räumlich, sowie in zeitlicher Entwicklung (longitudinal) charakterisiert. Hierbei werden morphologische Muster, Biomarker- sowie Genexpressions-Signaturen evaluiert und anhand des klinischen Outcomes von Patientinnen aus klinischen Studien validiert. Die Analysen fokussieren sich auf die Veränderung der Tumorzellen vor, während und nach einer Anti-Tumortherapie und eventuell auftretende Fernmetastasen. Hierbei werden die einzelnen Tumozellen auch in Kombinationen mit ihren umliegenden Nicht-Tumorzellen (Stroma, Immunzellen) charakterisiert und der Einfluss des Mikromilieus auf den Tumor und das Therapieansprechen herausgearbeitet.

In Göttingen werden innerhalb des SATURN3-Konsortiums die Teilprojekte 2 (Kolorektales Karzinom) sowie 3 (Pankreaskarzinom) bearbeitet. In den Forschungsgruppen der Universitätsmedizin Göttingen werden Bioprobensammlungen von Patientinnen und Patienten, die an Bauchspeicheldrüsen- oder Dickdarmkrebs leiden, unter Behandlung in zeitlicher und räumlicher Auflösung generiert. Die Biomaterialentnahme erfolgt von der Erstdiagnose beginnend über das Fortschreiten der Erkrankung. Da eine verlässliche molekulare Analyse von Gewebeproben maßgeblich von hoher Expertise in der Probengenerierung, -handhabung und -aufbereitung abhängt, werden Standardprozeduren für die Gewebsvorbereitung für Hochdurchsatzeinzelzellanalytik erarbeitet und konsortiumsweit zur Anwendung gebracht. Das aufgearbeitete Material wird auch vielen weiteren SATURN3-Gruppen für umfassende molekulare Einzelzellanalysen zur Verfügung gestellt, gemeinsam wird somit eine einzigartige räumlich-zeitliche Charakterisierung der Tumorentwicklung unter Therapie in diesen Krebsformen möglich. Die tiefgehenden und computergestützt ausgewerteten sowie mechanistisch in Modellsystemen wie Organoiden überprüften biologischen Daten und Erkenntnisse werden sodann in diagnostische Tests übertragen, die auch in der Routine angewendet werden können. Durch neue Gewebe- und Blutprobenanalysen unter Anwendung modernster molekularer Technologien und computergestützter Methoden inklusive Künstlicher Intelligenz wird hierdurch eine bessere Vorhersage von Therapieansprechen, dem Vorhandensein minimaler Resterkrankung und früher oder später Tumorrekurrenz auf der Basis von Heterogenitätsbiomarkern im klinischen Alltag möglich. Als Konsequenz können Patientinnen und Patienten zukünftig eine im Individualfall wirksamere, auf ihren Tumor optimal abgestimmte Therapie erhalten.

Tumorerkrankungen sind in Deutschland nach Herz-Kreislauf-Erkrankungen die zweithäufigste Todesursache. Die Forschung nach wirksamen Behandlungsformen für Tumorerkrankungen hat in den letzten Jahrzehnten viele Fortschritte gemacht, trotzdem gibt es nur für wenige Tumorentitäten zufriedenstellende Therapiemöglichkeiten. Das klinische Hauptproblem sind hierbei in aller Regel metastatische Läsionen in unterschiedlichsten Organen. Um einen Fortschritt in der Behandlung von Tumorpatienten zu erlangen, ist es wichtig insbesondere metastatische Läsionen aber natürlich auch die Primärmanifestationen biologisch noch besser zu verstehen und zu charakterisieren, um gezielter wirkungsvolle Medikamente und Behandlungsmethoden zu entwickeln. Die Ziele dieser Studie am Universitätsklinikum Augsburg sind die Proben-Asservierung von multiplen Organen/Tumororganmanifestationen von an/mit Tumorerkrankungen Verstorbenen; Morphologische und molekulare Analyse dieser Proben zur Klärung von Organbefall, Pathogenese und Krankheitsprozessen; Korrelation pathologischer Befunde mit Bildgebung (CT, Ultraschall etc.), klinischen Befunden, usw. Im Gegensatz zur konventionellen Autopsie, bei der alle Körperhöhlen eröffnet werden, um ausgedehnte Gewebeentnahmen zu ermöglichen, beschränkt sich die hier geplante postmortale transkutane Probenentnahme auf die Gewinnung von Gewebeproben aus besonders wichtigen Schlüsselorganen wie beispielsweise Herz, Lungen und Leber, je nach Tumormanifestation, die mittels stanzbioptischer Technik gewonnen werden. Die Biopsieproben der einzelnen Organe werden in vier Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe von Biopsien wird in Formalin fixiert und in Paraffin verbracht, die zweite Gruppe wird in PAXgene eingebettet, die dritte Gruppe wird bei -80°C asserviert. Im Falle funktioneller Untersuchungen kann auch Frischgewebe zur Verwendung kommen. So können unterschiedlichste Untersuchungsmethoden eingesetzt werden.

Intratumorale Heterogenität (ITH) ist maßgeblich für Therapieresistenz und Metastasierung von Tumoren verantwortlich. Bisher wird die ITH beim therapeutischen Vorgehen jedoch nicht berücksichtigt. Dieser Herausforderung will man sich am Klinikum der TU München durch eine detaillierte, räumlich und zeitlich aufgelöste, Charakterisierung der ITH bei drei häufigen, schwer zu behandelnden Tumorarten – Brustkrebs (Luminal-B, TNBC), kolorektaler Krebs und Bauchspeicheldrüsenkrebs – in relevanten klinischen Kohorten und mit modernsten, translationalen Technologien, stellen. Im Zentrum des Vorhabens stehen Analysen von genetischen Veränderungen von zellfreier Tumor-DNA im Patientenblut vor, während und nach Therapie, sowie parallel dazu durchgeführte funktionelle PET (Positronen-Emissions-Tomographie)- gestützte Bildgebung mit einem neuartigen Tracer-Molekül zur Beurteilung der Aktivierung des Tumormikromilieus und eine aufwendige Gewinnung von Tumorgewebeproben zur Generierung prädiktiver Modellsysteme. Neben longitudinaler klinisch und experimenteller Datenerhebung werden zur räumlichen Erfassung der ITH modernste Einzelzelltechnolgien verwendet. Durch die Integration dieser multidimensionalen Datensätze und funktioneller Validierung in Patienten-derivierten Modellsystemen, sogenannter Organoide, sollen ITH-vermittelte Resistenzmechanismen und Metastasierung verstanden und neuartige Biomarker für therapeutische Zielstrukturen identifiziert werden.

Eine intratumorale Heterogenität ist ein Merkmal, welches die Diskrepanz zwischen dem primären Therapieansprechen und einer anschließenden Tumorregression oder Metastasierung im Zusammenhang mit einer primären und erworbenen Therapieresistenz erklären könnte. Ziel des Vorhabens sind räumlich und zeitlich getrennte molekulare Analysen von kolorektalen Tumoren auf Einzelzellebene und eine funktionelle Validierung der Tumorheterogenität unter Verwendung von von Patienten abgeleiteten Tumor-Organoid Kulturen um folgende Fragestellungen zu adressieren: 1) Einfluss der molekularen und zellulären Intra- und Interorgan-Heterogenität bei der Entstehung von Metastasen und dem Therapieansprechen durch Längsschnitt-Profilierung. 2) Die Rolle einer Strahlentherapie, konventionellen Chemotherapie und zielgerichteten Medikamenten (EGFR, VEGF) auf die Tumorheterogenität. 3) Untersuchung und Validierung von funktionellen Wechselwirkungen in Tumor- Organoid und Stromazell-Kokulturen. Weiterhin ist vorgesehen, die Ergebnisse der molekularen Grundlagenforschung zur Tumorheterogenität in bereits bestehenden Datensätzen klinischer Studienkohorten zu validieren, um langfristig den Einsatz von Biomarkern der Tumorheterogenität für die tägliche individuelle Patientenversorgung zu ermöglichen.