Mechanismen der Metastasenbildung

Ansätze für neue Therapien im Kampf gegen Krebs

© Fraunhofer ITEM / P. Reinig
Am Mikroskop isoliert Bernhard Polzer einzelne Krebszellen, welche er zuvor aus Patientenmaterial gewonnen hat. Auf dem Monitor erkennt man die Glaskapillare mit der Zelle, die er als Krebszelle identifiziert und vom Objektträger aufgesaugt hat.

Hochkonzentriert blickt Dr. Bernhard Polzer durch das Mikroskop. Auf dem Objektträger liegen Zellen aus dem Knochenmark einer Brustkrebspatientin. Zwischen den farblosen Knochenmarkszellen sucht er gezielt nach gestreuten Tumorzellen, die er zuvor mit einem blauen Farbstoff markiert hat. Hat er eine blaue Zelle entdeckt, saugt er sie mit einer Glaskapillare auf und legt sie auf einen leeren Objektträger.

Es sind einzelne Zellen wie diese, die Krebspatienten umbringen können. Gestreute Tumorzellen, die im Knochenmark oder anderen Organen jahrelang schlummern und eines Tages Metastasen bilden, die schließlich zum Tod führen. Neun von zehn aller Krebstoten sterben nicht am Primärtumor, sondern an den Tochtergeschwülsten.

»Wir entwickeln spezielle Methoden, um einzelne gestreute Tumorzellen genetisch zu analysieren und sie gezielt zu bekämpfen«, erklärt Bernhard Polzer, stellvertretender Bereichsleiter im Forschungsbereich Personalisierte Tumortherapie des Fraunhofer-Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM in Regensburg. Anhand der genetischen Daten will das 40-köpfige Forschungsteam Licht in den noch unverstandenen Prozess der Metastasen-Bildung bringen. Und Ansätze für neue Therapieformen finden.

Geleitet wird der Forschungsbereich von Professor Christoph Klein, der 2014 für seine Arbeiten mit dem Deutschen Krebspreis ausgezeichnet wurde. »Bei der Krebsentstehung greifen die Zellen auf Programme zurück, die in der Embryonalentwicklung wichtig sind«, erklärt Klein. »Wenn sich eine entartete Brustdrüsenzelle ablöst und über das Blut in das Knochenmark gelangt, versucht sie dort eine neue Brustdrüse zu bilden.« Es entsteht dabei aber keine Brustdrüse, sondern nur eine Wucherung, die das umliegende Organ zerstört.

Lymphknoten-Untersuchung wie vor hundert Jahren

Ein großes Potenzial zur Vermeidung von Metastasen sieht Christoph Klein in einer Diagnostik, welche die beginnende Metastasierung molekular und zellbiologisch verstehen lernt. Wichtige Informationen hierzu können bei der pathologischen Untersuchung von Lymphknoten gewonnen werden, die während einer Tumoroperation entfernt wurden. Um zu sehen, ob der Tumor bereits gestreut hat, werden die Lymphknoten seit mehr als hundert Jahren mit dem gleichen Verfahren begutachtet. Aus dem Gewebe werden an mehreren Stellen hauchdünne Scheiben herausgeschnitten, in denen der Pathologe nach Krebszellen sucht. »Leider wird das Gewebe zwischen den Schnittebenen nicht betrachtet«, kritisiert Klein. »Dort vorhandene Metastasen werden daher übersehen.«

Gemeinsam mit dem Fraunhofer IPA und dem Fraunhofer IIS hat das Team von Christoph Klein eine Methode entwickelt, mit der sich der gesamte Lymphknoten analysieren lässt. Zur Probenvorbereitung dient ein Tissue Grinder, ein Gewebezerkleinerer, der die Zellen schonend separiert. Danach wird die Probe mit einem speziellen Farbstoff behandelt, der die gestreuten Tumorzellen anfärbt. Zwei Millionen Lymphknoten-Zellen werden automatisch gescannt. Unter dem Mikroskop erfolgt dann die Begutachtung der verdächtigen Objekte. »Mit unserer Methode haben wir bei der Hälfte der untersuchten Lymphknoten Tumorzellen nachgewiesen«, berichtet Bernhard Polzer. »Mit dem klassischen Verfahren konnten die Pathologen dagegen nur in 15 bis 20 Prozent der Proben Krebszellen finden.« Zurzeit wird das Verfahren für den Markt entwickelt.

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Bernhard Polzer (links) und sein Kollege Christian Werno diskutieren die genetischen Analysen einzelner Krebszellen.

Gestreute Tumorzellen verändern sich

© Fraunhofer ITEM, Ralf Mohr
Kathrin Weidele untersucht mit dem Mikroskop Krebszellen, die in einer kleinen Kulturschale auf Nährboden heranwachsen. Auf dem Monitor ist zu erkennen, dass die Zellen kugelige Sphäroide bilden.
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Im Labor werden bestimmte Tumorzellen in einem speziellen Gel gezüchtet, das die Struktur des Körpergewebes nachahmt. Dann kann man testen, gegen welches Medikament die Zellen empfindlich sind.

Hat Bernhard Polzer unter dem Mikroskop einzelne gestreute Tumorzellen isoliert, geht er mit der Probe in den Raum nebenan. Hier stehen DNA-Sequenzierer der neuesten Generation. Doch selbst für diese modernen Maschinen ist die DNA-Menge einer Einzelzelle zu wenig, um ein verlässliches Ergebnis zu liefern. Vor der Analyse muss Polzer daher die DNA der Zelle vervielfältigen. Dazu benutzt er eine Methode, die Christoph Klein bereits 1999 entwickelte – eine wichtige Pionierarbeit, die die Analyse von Einzelzellen erst möglich machte und heute weltweit als Standardverfahren etabliert ist.

Bei der genetischen Analyse lässt sich zum Beispiel erkennen, ob die gestreuten Tumorzellen die gleichen Eigenschaften haben wie der Primärtumor und daher auf die gleiche Behandlung ansprechen könnten. Oft ist das aber nicht der Fall. Die gestreuten Zellen verändern sich, wenn sie längere Zeit in einem fremden Gewebe leben. »Wenn Brustkrebszellen im Knochenmark liegen, können sie die Eigenschaften der sie umgebenden blutbildenden Zellen annehmen«, berichtet Christoph Klein. »Offenkundig passen die Zellen sich an ihre Umgebung an.« In ihrem neuen Umfeld können die gestreuten Zellen aber auch neue Krebsgene aktivieren. Dann werden sie immer aggressiver und gefährlicher.

Wenn die genetische Analyse ergibt, dass sich die gestreuten Tumorzellen verändert haben, müssen sie mit anderen Mitteln bekämpft werden als der Primärtumor. Wie sich für jede Patientin und jeden Patienten das geeignete Medikament finden lässt, wird von Polzer und Klein gerade erforscht. Ausgangspunkt ist eine Technologie, die bereits bei großen Zellzahlen funktioniert und jetzt für Einzelzellen adaptiert wird. Analysiert werden dabei 450 krebstypische Mutationen, für die es bereits Medikamente auf dem Markt oder in klinischen Studien gibt.

Bernhard Polzer hat das Ziel klar vor Augen: »Wir wollen aus Lymphknoten oder Knochenmark die gestreuten Tumorzellen isolieren und sie auf die 450 Mutationen untersuchen. Dann könnten wir mit dem geeigneten Medikament die Bildung von Metastasen verhindern.« Damit dieses Ziel erreicht wird, arbeiten die Regensburger Forscher mit verschiedenen Firmen zusammen, die diese innovative Diagnostik in den klinischen Alltag transferieren wollen.

Um zu ermitteln, welches Medikament gegen die Metastasen eines Patienten wirkt,  nutzt das Regensburger Team auch klassische Methoden. Dazu  werden die Tumorzellen auf einem Nährboden vermehrt. Darauf wachsen sie zu kugeligen Gebilden, sogenannten Organoiden, heran. An diesen Zellen lassen sich dann direkt im Labor die verschiedenen in Frage kommenden Wirkstoffe testen. In Zusammenarbeit mit dem Regensburger Klinikum soll auf diese Weise in Zukunft vielen Patienten geholfen werden.

Was eine Zelle zu einer mörderischen Zelle macht

Wenn Bernhard Polzer eine blau gefärbte gestreute Tumorzelle aufsaugt, fragt er sich oft: Hätte diese Zelle das Potenzial gehabt, die Patientin zu töten? Oder hätte sie weiter geschlafen und keinen Schaden angerichtet? Denn längst nicht jede gestreute Zelle bildet auch Metastasen. Christoph Klein hat ausgerechnet, dass bei einer Brustkrebspatientin, die noch keine sichtbaren Metastasen hat, 10.000 bis 20.000 gestreute Krebszellen im Knochenmark vorkommen können. Nur ein paar davon haben das Potenzial, eine Metastase zu bilden. Aber was sind die Eigenschaften, die sie dazu befähigen? Überlistet sie das Immunsystem? Hat sie aggressive Krebsgene aktiviert? Was macht sie zu einer mörderischen Zelle?

Um hier eine Antwort zu finden, hat Christoph Klein in Zusammenarbeit mit mehreren Kliniken eine Studie mit 200 Brustkrebspatientinnen gestartet. Von diesen Patientinnen untersucht sein Team den Primärtumor, gestreute Tumorzellen und Metastasen. In jeder untersuchten Zelle werden alle von der Zelle aktivierten Gene analysiert. Diese Daten werden dann mit dem klinischen Verlauf der Patientinnen korreliert. Eine riesige Datenmenge, die das Bioinformatik-Team der Forschungsgruppe strukturiert. »Wir suchen in den Tumorzellen nach Markern, die mit einer schlechten Prognose für die Patientin assoziiert sind«, erklärt Christoph Klein. Ende des Jahres werden die gesamten Ergebnisse der Studie vorliegen. Und einen Hinweis darauf geben, was eine Zelle zur Killerin macht.

 

Text: Christine Broll, erschienen im Fraunhofer-Magazin weiter.vorn 01/2020.

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