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Experimenteller Nachweis von Metastasen-Stammzellen

Erstmals wurden im Blut von Brustkrebspatientinnen zirkulierende Krebszellen nachgewiesen, die tatsächlich Tochtergeschwülste auslösen können. Dies konnten Heidelberger Wissenschaftler mit einem In-vivo-Xenograft-Modell der Maus zeigen. Die Metastasen-initiierenden Zellen zeigen Merkmale von Krebsstammzellen; sie weisen drei Oberflächenproteine auf, die als Biomarker für den Krankheitsverlauf dienen können.

Hauptursache für die Krebssterblichkeit ist nicht der ursprüngliche Tumor (Primärtumor), sondern das Wachstum seiner Metastasen in anderen Organen. Metastasen entstehen, indem sich Krebszellen vom Primärtumor ablösen, im Blut oder in der Lymphe zirkulieren (engl.: circulating tumor cells; CTCs), sich in anderen Körperteilen festsetzen und nach einer Ruhepause, die Monate oder Jahre dauern kann, aus zunächst winzigen Mikrometastasen heraus große Tochtergeschwülste bilden, die oft nicht mehr behandelbar sind und zum Tod des Patienten führen.

Selbst kleine Primärtumoren können metastasieren; beispielsweise findet man bereits bei jedem fünften Brustkrebs von einem Zentimeter Durchmesser Metastasen. Diese siedeln sich häufig im Knochen an. Warum bestimmte Tumorarten spezifische Organe bevorzugen, ist bisher wenig verstanden.

Zirkulierende Tumorzellen und Krebsstammzellen

Stammzellen im Stickstofflager © HI-STEM

Im Blut zirkulierende CTCs lassen sich mit bestimmten Biomarkern nachweisen. Studien haben gezeigt, dass Brustkrebspatientinnen, bei denen viele CTCs gefunden wurden, eine schlechte Krankheitsprognose haben. Einen direkten experimentellen Nachweis, dass aus CTCs Metastasen entstehen, gab es bisher aber nicht. So entwickeln auch viele Patientinnen, bei denen man CTCs im peripheren Blut nachweisen kann, keine Metastasen.

Wie Prof. Dr. Andreas Trumpp, Leiter der Abteilung für Krebs und Stammzellen am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) und Geschäftsführer des Heidelberger Instituts für Stammzelltechnologie und Experimentelle Medizin (HI-STEM gGmbH) am DKFZ, darlegte: „Wir waren davon überzeugt, dass unter den verschiedenen zirkulierenden Tumorzellen nur einige wenige in der Lage sind, eine neue Tochtergeschwulst in anderen Organen zu bilden.“ Diese kleine Subpopulation von Metastasen-initiierenden Zellen (metastasis initiating cells, MICs), für die man die Therapieresistenz und Mobilität von Krebsstammzellen postulierte und die man daher auch als Metastasen-Stammzellen bezeichnet, galt es zu finden.

Ruhende Stammzellen sind therapieresistent

Der international renommierte Stammzellforscher Trumpp hatte in den letzten zehn Jahren wesentlich dazu beigetragen, der Krebsstammzell-Theorie zum Durchbruch zu verhelfen. Diese besagt, dass der Tumor hierarchisch organisiert ist und oft nur wenige Krebsstammzellen für das Wachstum des Tumors verantwortlich sind.

Solche Krebsstammzellen, die man zunächst bei Leukämien, inzwischen aber bei vielen Tumorarten nachgewiesen hat, verstecken sich – ähnlich wie normale Stammzellen – in einer speziellen Mikroumgebung (der sogenannten Stammzellnische - häufig im Knochenmark) und liegen meist im Ruhezustand vor, das heißt, sie teilen sich äußerst selten. Daher sind sie gegen antiproliferative Chemotherapien resistent. Das erklärt auch, warum Chemotherapien anfangs oft erfolgreich verlaufen und Primärtumoren, deren große Zellmasse nicht oder kaum resistent ist, zurückgebildet werden. Wenn es jedoch - oft erst nach Jahren - zu einem von Krebsstammzellen gebildeten Rückfall oder zu Metastasen kommt, versagt die Therapie (siehe Link rechts, Artikel "Metastasen-induzierende Krebsstammzellen" vom 11.05.2009).

Ein Transplantationstest zum Nachweis von MICs

Dr. Irène Baccelli © HI-STEM

Um zirkulierende Krebszellen im Blut auf ihre Fähigkeit zur Metastasierung zu testen, hatten Trumpp und sein Kollege Klaus Pantel vom Institut für Tumorbiologie des Universitätsklinikums Hamburg ein neuartiges funktionales Xenograft-Modellsystem konzipiert. Mit diesem können speziell markierte Krebszellen aus dem Blut von Brustkrebspatientinnen direkt ins Knochenmark von immundefizienten Mäusen transplantiert werden. Später gebildete humane Metastasen können dann durch ein nicht-invasives Monitoring in diesem In-vivo-Tiermodell nachgewiesen werden.

Zuvor aber mussten die CTCs mit den potenziellen MICs aus dem Blut der Patientinnen gewonnen werden. Dr. Irène Baccelli aus Trumpps Forschungsgruppe am HI-STEM isolierte Tumorzellen anhand bestimmter Oberflächenmarker aus dem Blut von über 350 Patientinnen mit Brustkrebs und transplantierte sie in das Oberschenkelknochenmark der Mäuse. Die Patientenproben und klinischen Daten wurden von Professor Dr. Andreas Schneeweiss und seinen Mitarbeitern am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) Heidelberg zur Verfügung gestellt. Histologische Analysen wurden von Wilko Weichert am Pathologischen Institut des Universitätsklinikums Heidelberg durchgeführt.

Tatsächlich entwickelten einige wenige Tiere nach der Transplantation Metastasen in Knochen, Lunge und Leber. Durch Immunhistochemie mit humanspezifischen Antikörpern wurde nachgewiesen, dass sie von den Tumorzellen der Frauen abstammten. Damit war der Nachweis erbracht, dass sich unter den im Blut zirkulierenden Tumorzellen auch Metastasen-initiierende Zellen befinden. Im weiteren Verlauf der Arbeiten analysierten Baccelli und ihre Kollegen die Moleküle der Zelloberfläche bei dieser MIC-Population.

Prognostische Biomarker

Zirkulierende Tumorzellen aus dem Blut von Brustkrebspatientinnen, die eine Metastase im Knochenmark der Mäuse bilden. Der Stammzellmarker CD44 ist rot gefärbt. © Irène Baccelli, DKFZ

Ein charakteristisches Protein von Brustkrebs-Stammzellen ist das Oberflächenantigen CD44. Mit seiner Hilfe setzen sich die Zellen im Knochenmark fest. Baccelli fischte zunächst aus den CTCs der Patientinnen die CD44-positive Zellpopulation heraus, die dann auf weitere Oberflächenmarker durchsucht wurde. Dazu gehörten unter anderem das Signalprotein CD47, das für die Abwehr von Immunzellen verantwortlich ist, sowie MET, ein Membranrezeptor, der am invasiven Wachstum von Tumoren und ihrer Ausbreitung im Körper beteiligt ist.

Mit modernsten Fluoreszenz-aktivierten Zellsortern (FACS®) konnten die Forscher CTC-Subpopulationen isolieren, die gleichzeitig alle drei Merkmale – CD44, CD47, MET – exprimierten. Die erneute Prüfung im Xenograft-Test auf ihre Metastasierungsfähigkeit zeigte, dass es sich bei diesen dreifach positiven Zellen tatsächlich um MICs, die gesuchten Metastasen-Stammzellen, handelt.

Neue therapeutische Ansätze

Prof. Dr. Andreas Trumpp © HI-STEM

Klinische Daten bestätigen das Ergebnis. Bei einer kleinen Kohorte von Brustkrebspatientinnen beobachteten die Forscher, dass mit dem Fortschreiten der Erkrankung die Zahl der dreifach-positiven CTCs, nicht aber die Gesamtzahl an CTCs anstieg. Patientinnen mit besonders vielen dieser dreifach-positiven Zellen hatten auch besonders viele Metastasen und eine sehr ungünstige Prognose.

Die durch CD44+CD47+MET+ charakterisierten MICs besitzen demnach „eine wesentlich höhere biologische Relevanz für das Fortschreiten der Erkrankung als die bisher untersuchten CTCs“, erklärte Andreas Schneeweiss. Ihre mögliche Verwendung als prognostischer Biomarker soll in einer großen klinischen Studie bestätigt werden.

Aber auch für die Suche nach wirksamen Therapien sind die neuen Ergebnisse ermutigend. Therapeutische Antikörper, welche die Aktivität von CD47 blockieren, befinden sich in Entwicklung. Ein Inhibitor des MET-Rezeptors ist bereits zugelassen und zeigt bei fortgeschrittenem nicht-kleinzelligem Lungenkrebs gute Wirkungen; er könnte möglicherweise auch Brustkrebspatientinnen helfen, bei denen MICs nachgewiesen wurden.

Andreas Trumpp zog aus der von ihm geleiteten großen Arbeit über Metastasen-initiierende Zellen, die im April 2013 in der international renommierten Zeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht wurde, das Résumé: „Wir haben mit den dreifach-positiven Zellen nicht nur einen vielversprechenden Biomarker für den Verlauf von metasierendem Brustkrebs gefunden, sondern gleichzeitig auch neue mögliche therapeutische Ansätze für fortgeschrittenen Brustkrebs aufgezeigt.“

Publikation:
Baccelli I, Schneeweiss A, Riethdorf S, Stenzinger A, Schillert A, Vogel V, Klein C, Saini M, Bäuerle T, Wallwiener M, Holland-Letz T, Höfner T, Sprick M, Scharpff M, Marmé F, Sinn HP, Pantel K, Weichert W, Trumpp A: Identification of a population of blood circulating tumor cells from breast cancer patients that initiates metastasis in a xenograph assay (2013). Nature Biotechnology 2013, Jun; 31(6):539-44.

Glossar

  • Antigene sind Fremdstoffe, die das Immunsystem zur Produktion von Antikörpern anregen.
  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Metastasen sind Zellen, die sich vom Primärtumor abgelöst haben und weiterwachsen. Diese Tochtergeschwulst kann weit entfernt vom Primärtumor und in völlig anderem Gewebe entstehen.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Proliferation in einem biologischen bzw. medizinischen Kontext bedeutet Zellvermehrung infolge von Zellteilung bzw. Gewebsvermehrung. Sie tritt z. B. bei Wundheilung, Regeneration von Gewebe sowie bei Wucherungen auf.
  • Stammzellen sind Zellen, die die Fähigkeit zur unbegrenzten Zellteilung besitzen und die sich zu verschiedenen Zelltypen ausdifferenzieren können. Stammzellen können aus Embryonen, fötalem Gewebe und aus dem Gewebe Erwachsener gewonnen werden. In Deutschland ist die Gewinnung embryonaler Stammzellen verboten.
  • Chemotherapie ist eine Behandlung von Krankheiten, insbesondere Krebs, unter Einsatz von Chemotherapeutika (Medikamente zur Wachstumshemmung von (Krebs)-Zellen).
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Biomarker sind messbare Produkte von Organismen (z.B. Proteine, Stoffwechselprodukte oder Hormone), die als Indikatoren beispielsweise für Umweltbelastungen oder Krankheiten herangezogen werden.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Leukämie ist eine bösartige Erkrankung (Krebs) des blutbildenden Systems. Durch die vermehrte Bildung entarteter weißer Blutkörperchen und ihrer Vorstufen wird die Blutbildung im Knochenmark gestört. Andere Blutbestandteile werden verdrängt und es kommt dadurch zu Anämie (Blutarmut), Infektionen und Blutungen, die letztlich zum Tod führen, wenn die Leukämie nicht behandelt wird.
  • Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Dabei werden Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht und anschließend rechnerbasiert ausgewertet, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.
  • Immunhistochemie ist eine biologische bzw. medizinische Methode, mit der man Proteine mit Hilfe von Antikörpern sichtbar machen kann. Dadurch kann man beispielsweise die Position eines Proteins in einem Gewebe bzw. Zellkompartiment bestimmen.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • Als Transplantation bezeichnet man die Verpflanzung eines Transplantates (Zellen, Gewebe Organe). Es gibt verschiedene Transplantationsarten, die sich nach Herkunft, Funktion und Ort einteilen lassen. So wird bei einer xenogenen Transplantation ein Organ einer anderen Art transplantiert, während dagegen bei einer allogenen der Spender von einer Art stammt. Daneben gibt es noch die autologe Transplantation, bei der Spender und Empfänger dasselbe Individuum sind. Ist der Spender der eineiige Zwilling so spricht man von einer syngenen Transplantation. Eine alloplastische Transplantation wird das Transplantieren von künstlichem Material genannt. Bei Transplantationen werden Immunsuppressiva verabreicht, um die natürliche Abwehrreaktion des Körpers gegenüber Fremdstoffen zu unterbinden und damit das Transplantat im Körper zu erhalten. Die Zulässigkeit der Organspenden wird durch das Transplantationsgesetz (TPG) seit 1997 in Deutschland geregelt. Tritt Hirntod ein, muss ein Familienangehöriger der Entnahme zustimmen oder ein entsprechender Organspendeausweis des Spenders vorliegen. Am Häufigsten werden heutzutage Niere, Augenhornhaut, Herz und Leber transplantiert.
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