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KDM4 als Angriffspunkt bei dreifach negativem Brustkrebs

Allgemein hat sich die Prognose für Brustkrebs in den letzten Jahren klar verbessert, aber es gibt noch Tumorformen, bei denen die Therapie erschwert ist. Beim dreifach negativen Brustkrebs profitieren die Patientinnen kaum vom Fortschritt in der Krebsmedizin. Gezielte Eingriffe in die epigenetische Regulation von Brusttumoren könnten dies nun ändern. Prof. Dr. Roland Schüle und Dr. Jochen Maurer sind dem epigenetischen Enzym KDM4 auf die Schliche gekommen und haben ein neues Zellmodell entwickelt, das die Wirkstoffentwicklung erheblich erleichtert.

Brustkrebs ist die häufigste Krebserkrankung bei Frauen und genaugenommen eine Gruppe von Erkrankungen. Die gängigen Behandlungen wie Chemo-, Strahlen- und Antihormontherapie erzielen insgesamt gute bis sehr gute Erfolge. Sind die Lymphknoten nicht befallen, liegt die 5-Jahres-Überlebensrate bei 95 Prozent. Durch die genetische Analyse von Krebs hat sich die Therapie stark gewandelt und es können nun auch jene Tumoren angegangen werden, deren Behandlung bisher fast hoffnungslos war. Bei etwa 20 Prozent der Brustkrebsfälle handelt es sich um das dreifach negative Mammakarzinom, einen sehr aggressiven Tumor, bei dem viele zugelassene Therapien versagen, da er resistent zu sein scheint. Zudem sind seine Rückfallwahrscheinlichkeit und das Risiko zur Metastasenbildung viel höher. Diese Art ist besonders tückisch, da nach herkömmlicher Chemo- und Strahlentherapie alle bis auf wenige Krebszellen im Körper verschwinden, wobei die wenigen ausreichen, um das Tumorwachstum aufrechtzuerhalten.

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Hormon ist eine biochemisch aktive Substanz, die als Botenstoff von ihrem Entstehungsort zu ihrem Zielort transportiert wird (häufig über das Blut) und dort eine Reaktion in der Zelle auslöst. Insulin wird z.B. in der Bauchspeicheldrüse produziert, gelangt über das Blut zum Muskel und sorgt dort für eine Senkung des Blutzuckerspiegels.
  • Keimzellen sind die Geschlechtszellen (Eizellen, Spermien) eines Organismus .
  • Metastasen sind Zellen, die sich vom Primärtumor abgelöst haben und weiterwachsen. Diese Tochtergeschwulst kann weit entfernt vom Primärtumor und in völlig anderem Gewebe entstehen.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • 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.
  • Translation im biologischen Sinn ist der Prozess, bei dem die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins übersetzt (translatiert) wird. Dieser Vorgang findet an den Ribosomen statt. Nach der Vorlage eines einzigen mRNA-Moleküls können zahlreiche Proteinmoleküle synthetisiert werde
  • 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.
  • In der Strahlentherapie (oder auch: Radiotherapie) werden verschiedene Formen der Strahlung, insbesondere hochenergetische, ionisierende Strahlung (z.B. Röntgen-, Beta- und Gammastrahlen) zur Behandlung von Krankheiten, speziell bösartiger Tumore, eingesetzt.
  • Das Mammakarzinom (oder auch: Brustkrebs) ist ein bösartiger Tumor des Brustgewebes und die häufigste Krebserkrankung bei Frauen.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Kinasen sind Enzyme, die eine Phosphatgruppe von ATP (Adenosintriphosphat) auf andere Enzyme oder chemische Verbindungen übertragen und diese somit phosphorylieren.
  • 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.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • L-Lysin ist eine basische und essentielle Aminosäure.
  • Wachstumsfaktoren sind Proteine, die die Vermehrung und die Differenzierung von spezifischen Zelltypen und Geweben eines Organismus anregen.
  • Heterogenität bedeutet Ungleicheit bzw. Verschiedenheit in der Struktur.
  • Der Metabolismus oder auch Stoffwechsel umfasst Aufnahme, Transport, biochemische Umwandlung und Ausscheidung von Stoffen in einem Organismus. Diese Vorgänge dienen sowohl dem Aufbau der Körpersubstanz als auch der Energiegewinnung. Die beiden gegensätzlichen Vorgänge des Metabolismus werden Anabolismus (aufbauende Vorgänge) und Katabolismus (abbauende Vorgänge) genannt. Viele Enzyme können sowohl katabol als auch anabol wirken, jedoch arbeiten solche Enzyme innerhalb eines biochemischen Weges in der Zelle (z.B. Glykolyse und Gluconeogenese) nicht in beiden Richtungen zugleich.
  • Histone sind Eiweiße, die der geordneten Verpackung der DNA-Helix in Form von Chromosomen dienen. Dabei wird die lange DNA-Helix um die Histone herum gewunden. Diese Komplexe aus DNA und Histonen werden Nukleosomen genannt und bilden die Untereinheit der Chromosomen.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
  • Methylgruppen sind Atomgruppierungen mit der Zusammensetzung -CH3.
  • Methylierung ist die Einführung von Methylgruppen in organische Verbindungen.

Viele Tumoren haben Hormonrezeptoren

Wie wirkt sich die Epigenetik darauf aus, dass Stammzellen differenzieren? Dies untersucht Prof. Dr. Roland Schüle an der Zentrale Klinische Forschung (ZKF) der Uniklinik Freiburg. © Jürgen Gocke (privat)

Die Diagnose ergibt sich durch Bestimmung des Rezeptorstatus: Tumoren, die sich aus hormonempfindlichen Geweben entwickeln, können an ihren typischen Hormonrezeptoren erkannt werden. Wie Brustzellen haben auch Brustkrebszellen bei vier von fünf Patientinnen mit bösartigen Karzinomen Rezeptoren für Östrogen und Progesteron an der Zelloberfläche. Wichtig wird das, wenn die Hormone auch das Gewebewachstum steuern. Ein hormonsensitiver Tumor, der keine normale Wachstumskontrolle mehr hat, wächst unter hormonellem Einfluss immer weiter. Die Antihormontherapie kann hier Wachstumsreize ausschalten und Metastasen verringern.

Das Fatale am dreifach negativen Brustkrebs ist, dass er Zellen enthält, die weder Östrogen- oder Progesteronrezeptoren noch den HER2/neu-Rezeptor (Wachstumsfaktor der IGF-Familie) an ihrer Oberfläche exprimieren. Diese Zellen sind also mit zielgerichteter antihormoneller oder Antikörper-Therapie nicht erreichbar. Warum es diese Rezeptoren hier nicht gibt, kann unterschiedliche Gründe haben: genetische Deletion oder Mutation, epigenetische Inaktivierung oder sogar induzierte Therapieresistenz. "Eine gängige Theorie ist, dass dies ein Ausweichmechanismus des Tumors ist, um der Therapie zu entkommen“, sagt Prof. Dr. Roland Schüle, Wissenschaftlicher Direktor der Zentrale Klinische Forschung (ZKF) des Uniklinikums Freiburg.

Krebsstammzellen mit epigenetischen Auffälligkeiten

Laut Schüles Theorie ist die treibende Kraft in diesem besonders bösartigen Karzinom das Vorhandensein von Stammzellen im Tumorinneren. „Der Tumor ist sehr heterogen. Es gibt nicht die Tumorzelle, sondern ein ganzes Set verschiedener Tumorzellen innerhalb eines Tumors“, erläutert er. Aus epigenetischer Sicht trägt die Tumorstammzelle ein anderes Modifikationsmuster als andere Tumorzellen, Körperzellen oder Keimzellen.

Veränderungen auf epigenetischer Ebene wie DNA-Methylierung oder Histonmodifikation steuern die Aktivität der Gene und führen zu bestimmten Phänotypen. Inzwischen weiß man, dass die Größenordnung der epigenetischen Modifikationen im Lebensverlauf um ein Vielfaches höher ist als die der genetischen Mutationen. Epigenetik spielt offenbar auch bei der Krebsentstehung eine bedeutende Rolle. Es gibt fundierte Daten, dass bei bestimmten Tumortypen über 50 Prozent der vorhandenen Mutationen in epigenetischen Proteinen zu finden sind.

Das Enzym KDM4, das im dreifach negativen Brustkrebs für die Eigenschaften von Stammzellen im Tumor und somit für seine Therapieresistenz verantwortlich ist, konnten die Wissenschaftler um Schüle erfolgreich hemmen. (KDM4 entfernt Methylgruppen an bestimmten Lysinen in Histonen und reguliert so die Gene.) Die Tumorstammzellen besitzen, ähnlich wie Körperstammzellen, die Fähigkeit, sich selbst zu erneuern und beständig neue Krebszellen zu produzieren. Die ausdifferenzierten Tumorzellen, die Tumormasse, werden von der Standardtherapie eliminiert, sodass der Tumor schrumpft und man einen scheinbaren Erfolg verzeichnet. „Das Problem: Diese Stammzelle sitzt irgendwo im Tumor und ist nicht responsiv auf gängige Krebstherapeutika, da sie sich nur selten teilt und die drei Rezeptoren nicht ausbildet“, meint Schüle, „sie kann noch Tage oder Jahre ausharren und plötzlich wieder anfangen, sich zu teilen.“ Vermutlich hat die Tumorstammzelle von der Masse der anderen Zellen „gelernt“, dass ein chemischer Angriff stattgefunden hat und versucht, sich zu schützen. Hier kommt die Epigenetik ins Spiel.

Sphäroid-Zellmodell und Wirkstoffdesign

Dr. Jochen Maurer hat das neue Sphäroid-Zellmodell entwickelt. Es liefert neue Einsichten in die Eigenschaften der Krebsstammzellen. © privat

Die Demethylase KDM4 stellt eine vielversprechende Therapieoption dar. Dr. Jochen Maurer vom Zentrum für Translationale Zellforschung der Uniklinik Freiburg zeigte zusammen mit dem Schüle-Team in einem neu entwickelten Zellmodell, wie KDM4 in Zellen gehemmt wird und diese dann die gefährlichen Stammzelleigenschaften verlieren. Maurer leistete Pionierarbeit, denn es gelang ihm, Krebs-Stammzellen aus Tumoren von Patientinnen mit dreifach negativem Brustkrebs in vitro zu kultivieren und bis zu einem Jahr am Leben zu erhalten. Normalerweise bewirken die Bedingungen bei In-vitro-Experimenten, dass die Zellen ihre Stammzelleigenschaften verlieren und sofort differenzieren. Mit einem besonderen Mix, einer hypoxischen Atmosphäre von nur drei Prozent Sauerstoff und einem Rho-Kinase-Inhibitor schuf Maurer die spezielle Mikroumgebung, die die Stammzelle Stammzelle bleiben lässt.

So bildete er ein 3D-Modell, einen Sphäroiden, in dem sich Stammzellen und andifferenzierte Tumorzellen in verschiedenen Stadien befanden. Damit gab es ein Testmodell, das den gesamten Tumor außerhalb des Körpers nachbildete und in dem – ohne über Tiermodelle zu gehen – eine Reihe von Hemmstoffen für KDM4 untersucht werden konnte. Gleichzeitig realisierte das Schüle-Team gemeinsam mit der Firma Quanticel Pharmaceuticals (seit Oktober 2015 Celgene Quanticel Research, San Diego, CA, USA, Anm. d. Red.) ein ausgeklügeltes Wirkstoffdesign zur Identifikation der Enzymhemmer mit antiproliferierendem Effekt. „Angefangen haben wir mit einer halben Million unterschiedlicher Moleküle, die wir in biophysikalischen Ansätzen auf Bindungs- und Blockadefähigkeit getestet haben“, erklärt Schüle. In einem langwierigen Prozess optimierten sie dann eine Substanz (QC6532), die sich passgenau in die Tasche des aktiven Zentrums von KDM4 einfügt und es lahmlegt. Behandelt man nun einzelne Stammzellen mit QC6532, verlieren diese ihre Fähigkeit zur Selbsterneuerung und differenzieren zu Tumorzellen, die für Standardtherapien erreichbar sind.

Rückgang des Tumors in ersten Versuchen

Im neuen Sphäroid-Modell markieren Keratin 5 (grün) und Keratin 8 (rot) Brustkrebsstammzellen. Der Zellkern ist blau. © Dr. Jochen Maurer, Uniklinik Freiburg

Um herauszufinden, ob dies ein spezifischer oder nur ein toxischer Effekt ist, separierten die Forscher aus einem Sphäroid jede einzelne Zelle und behandelten sie eine Woche mit dem Hemmstoff. Sie schauten, ob diese Zellen anschließend noch in der Lage waren, neue Sphäroide zu bilden. Ohne Inhibitor entstanden etwa hundert, mit Inhibitor zwei neue Sphäroide. Aus den beiden neuen Sphäroiden wurden wieder Zellen vereinzelt, aber nicht noch einmal behandelt. Das Ergebnis: „Selbst in Abwesenheit des Hemmstoffs bilden sich keine neuen Sphäroide mehr“, betont Schüle, „demnach ist der Effekt einerseits spezifisch und andererseits reicht es, die Tumorzelle einmal in einem Zeitfenster zu behandeln, in dem sie für den Wirkstoff sensitiv ist.“

Epigenetische Veränderungen erfolgen in der Regel langsam, manifestieren sich aber in der zweiten Generation. Die Substanz mit wenig Toxizität und wenig Nebenwirkungen verhindert in vitro bei Brustkrebszellen, dass KDM4 Methylgruppen entfernt und je nach Zelltyp entsprechende Gene zur Proliferation oder zum Metabolismus aktiviert oder nicht aktiviert werden. Auch im Tiermodell zeigte sich ein Rückgang des Tumors. Es bleiben noch viele Experimente zu machen: „Wenn sich das in weiteren Modellen bestätigt, hätte man zumindest ein Konzept, wie man den Tumor auslöschen könnte“, hofft Schüle.

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