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Kerstin Stemmer: Wichtige Ansätze zur Früherkennung krebserregender Substanzen

Der Schutz vor krebserregenden Stoffen ist heute ein viel diskutiertes und wichtiges Thema. In Alltag und Beruf kommt es häufig zum Kontakt mit Medikamenten oder Chemikalien, deren kanzerogenes Potenzial deshalb von vornherein mittels langwieriger Tierversuche ausgeschlossen werden muss. An der Universität Konstanz konnte Dr. Kerstin Stemmer in diesem Zusammenhang mittels modernster Technik und neu etablierter Untersuchungsmethoden das krebserregende Potenzial von Fremdstoffen bereits nach wenigen Tagen nachweisen. Dies ist ein erster Ansatz, um durch Einsatz sensitiver Nachweistechnologien Langzeitkanzerogenese-Studien zu verkürzen und die Versuchstierzahlen zu senken.

Dr. Kerstin Stemmer © Martin Buschmann

Nach aktueller Gesetzeslage ist eine intensive Untersuchung des kanzerogenen Potenzials bestimmter Stoffe in Langzeitversuchen vorgeschrieben. Durch Kanzero-genesestudien insbesondere an Nagetieren wird die fragliche Substanz in hoher Dosis getestet und geklärt ob, in welchen Organen sowie in welchem Ausmaß sie Tumorbildungen auslöst. Auf Basis der Ergebnisse kommt es anschließend zu einer Risikoabschätzung. Dieses derzeit angewandte Verfahren ist allerdings sehr kostspielig, führt zudem wegen altersbedingter Pathologie und nagetierspezifischen Effekten zum Teil zu verfälschten Schlussfolgerungen und dauert bis zu zwei Jahre.

Die Forscherin Dr. Kerstin Stemmer von der Universität Konstanz hat eine Methode entwickelt, nierenkanzerogene Stoffe in Kurzzeit-in-vivo-Studien zu identifizieren. Unter anderem mit Hilfe sensitiver Microarray-Transkriptomanalysen hat sie früheste Prozesse der fremdstoffinduzierten Nierenkanzerogenese entschlüsselt. Ihre Ergebnisse tragen nicht nur zu einer schnelleren und zuverlässigeren In-vivo-Testung bei, sondern könnten in langfristiger Konsequenz auch den Ersatz von Tierversuchen durch andere Methoden mit sich bringen.

Vorstufen fremdstoffinduzierter Tumoren als Forschungsgrundlage

„Die Ursachen für die Entstehung von Nierenkrebs sind bislang nicht eindeutig geklärt. Man kennt jedoch bestimmte Faktoren, die das Risiko an Nierenkrebs zu erkranken erhöhen“, erklärt Dr. Stemmer. Zu diesen gehören neben Vererbung auch Fettleibigkeit, der Kontakt mit Schwermetallen und Lösungsmitteln, aber auch das Rauchen. In ihren Studien testete die Biologin zwei nierenkanzerogene Substanzen: Das genotoxische Pflanzengift Aristolochiasäure (AA) sowie das nicht genotoxische Schimmelpilzgift Ochratoxin A (OTA). Als Versuchstiere wurden zum einen Wildtypratten, zum anderen Eker-Ratten gewählt, bei welchen eine Mutation des TSC2 Tumorsuppressorgens vorliegt. „Letztere reagieren deshalb besonders sensibel auf nierenkanzerogene Stoffe und bilden schneller und mehr renale Tumoren aus“, berichtet Dr. Stemmer.

Als Grundlage diente Stemmers Forschung die Tatsache, dass krebserregende Substanzen zu zellulären Veränderungen führen und immer eine Veränderung der Genexpression mit sich bringen. „Wir haben uns daher gefragt“, erläutert die Wissenschaftlerin, „ob früheste Genexpressionsveränderungen die kanzerogene Wirkung einer Testsubstanz schon nach wenigen Tagen der Substanzgabe verlässlich voraussagen können, ohne dass man den langsamen Prozess der Tumorentwicklung abwarten muss.“

RNA-Analyse in drei Schritten

In drei Versuchsabschnitten wurden die genetische Signatur von Tumorvorstufen und deren Bedeutung für die endgültige Tumorbildung analysiert: „In einem ersten Kurzzeit-Versuch bekamen beide Rattenstämme über Schlundsonden die erwähnten nierenkanzerogenen Substanzen AA und OTA zugeführt“, fasst Dr. Stemmer zusammen. Mit Hilfe von Paraffinschnitten wurden nach ein bis vierzehn Tagen sowohl Zellproliferation als auch pathologische Gewebeveränderungen näher betrachtet. Des Weiteren führte Dr. Stemmer sensitive Microarray-Transkriptomanalysen durch, mit welchen über 31.000 Gene gleichzeitig untersucht und darauf aufbauend Genexpressionsprofile erstellt werden können. „Somit kann man eine Momentaufnahme aller transkriptioneller Prozesse festhalten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem bestimmten Gewebe ablaufen.“

Bei der Untersuchung der Veränderung des Transkriptoms in den Nieren der Tiere fand Dr. Stemmer heraus, dass die nierenkanzerogenen Stoffe bereits nach nur einem Tag eine Aktivierung krebsrelevanter Signalwege bewirkt hatten. „Während Aristolochiasäure bei beiden Stämmen zu fast identischer Genexpressionsveränderung geführt hatte, induzierte Ochratoxin A bei Eker-Ratten eine deutlich größere Zahl deregulierter Gene als beim Wildtyp“, so Dr. Stemmer. Der Wissenschaftlerin zu Folge ist dies ein Hinweis darauf, dass „Ochratoxin A Signalwege, die durch das Tumorsuppressorgen TSC2 normalerweise gebremst werden, verstärken kann.“ Innerhalb sehr kurzer Zeit waren somit durch Substanzen herbeigeführte Veränderungen bewiesen worden.

Dr. Kerstin Stemmers Erkenntnisse tragen auch zur Vermeidung von Tierversuchen bei. © K. Stemmer

RNA-Isolierung durch Transkriptionsanalysen

In einem zweiten Versuchsabschnitt beschäftigte sich Kerstin Stemmer mit der Frage, ob die frühen substanzinduzierten Genexpressionsveränderungen eventuell nur vorübergehend waren und ob es auf lange Sicht betrachtet überhaupt zu einer Tumorentwicklung kommt. Nach drei bis sechsmonatiger Exposition von Eker-Ratten mit AA und OTA konnte mittels Gewebeschnitten ermittelt werden, wie viele präneoplastische Läsionen sich entwickelt hatten. Anhand von Transkriptionsanalysen hat die Konstanzer Wissenschaftlerin erforscht, wie diese frühen Tumorvorstufen – die bei kanzerogenbehandelten Tieren weit häufiger auftraten als bei unbehandelten – von gesundem Gewebe differieren und welche Auswirkungen AA und OTA auf die Bildung der präneoplastischen Läsionen haben.

„Mit Hilfe der ‚Laser Capture Microdissection‘ konnten wir die mikroskopisch kleinen Läsionen zunächst am Mikroskop markieren, dann mit Hilfe eines computergesteuerten Laserstrahls ausschneiden und schlussendlich in Reaktionsgefäße katapultieren. Es ist uns gelungen, aus diesen winzigen microdissektierten Gewebeproben RNA zu isolieren um damit Microarray-Transkriptomanalysen durchzuführen“, berichtet die Biologin über ihr Vorgehen.

Einzelne Signalwege konnten durch immunhistochemische Färbungen verifiziert werden. Traditionelle Langzeitstudien werden unter sehr standardisierten Bedingungen in Nagetieren durchgeführt. Diese vernachlässigen jedoch den Einfluss zusätzlicher Risikofaktoren wie Übergewicht oder Fettleibigkeit, die das Tumorwachstum beim Menschen begünstigen können.

Dr. Stemmer befasste sich in einem dritten Schritt mit dem Einfluss von Fettleibigkeit und hochkalorischer Nahrung auf die Entstehung früher Stadien des Nierenkrebses. Im Fokus des Interesses stand herauszufinden, ob eher die Körperfettmasse an sich oder eine hochkalorische Nahrung Auslöser für ein erhöhtes Nierenkrebsrisiko ist. „In Zusammenarbeit der Arbeitsgruppe von Prof. Daniel Dietrich an der Uni Konstanz mit den Gruppen von Prof. Matthias Tschöp und Res. Assist. Prof. Paul Pfluger am Metabolic Diseases Institute der University of Cincinnati konnten wir erste äußerst vielversprechende Daten sammeln. Unsere Ergebnisse wurden auf einer Fachtagung mit dem Posterpreis des ‚Journal of Clinical Investigation‘ ausgezeichnet“, erinnert sich die Wissenschaftlerin.

Frühe Prozesse geben Aufschluss über Wirkmechanismen

Alles in allem lieferte Dr. Stemmers Forschung zum Teil überraschende Ergebnisse. Die Untersuchungen zeigten, dass bereits nach sehr kurzfristiger Substanzgabe spezifische Veränderungen der Genexpression nachweisbar sind und diese zudem konkrete Hinweise auf die weitere Tumorvorstufenentwicklung liefern. Außerdem ist es möglich, mittels Genexpressionsprofilen genotoxische von nichtgenotoxischen Stoffen zu unterscheiden. Interessant war vor allem, dass sich die veränderten Genexpressionsprofile spontaner und substanzinduzierter Läsionen stark ähnelten. „Offensichtlich sprechen schon frühe Tumorstadien nicht mehr auf eine chronische Toxingabe an“, erklärt Dr. Stemmer.

Eine weitere beachtliche Entdeckung ist die Tatsache, dass Aristolochiasäure und Ochratoxin A zwar bereits nach kurzer Zeit präneoplastische Läsionen auslösen, sich das umliegende Nierengewebe allerdings bei langfristiger Exposition an die schädigenden Substanzen zu gewöhnen scheint: „Nach sechsmonatiger Substanzgabe waren im gesundem Nierengewebe kaum mehr Effekte zu erkennen.“

Gerade die frühen Prozesse können Aufschluss über den kanzerogenen Wirkungsmechanismus einer Substanz geben. „Es ist denkbar, dass durch den Einsatz neuer und sensitiverer Nachweistechnologien, wie zum Beispiel Microarrays, Langzeit-Kanzerogenesestudien deutlich verkürzt und die Tierzahlen gesenkt werden könnten“, verdeutlicht Dr. Stemmer die Tragweite ihrer Forschung. Im Juli 2010 erhielt sie den Nycomed Forschungspreis in Anerkennung ihrer Arbeit.

Validierung neuer Testsysteme und verbesserte Krebstherapien durch Kollaboration zwischen Wissenschaft und Wirtschaft

Im April 2010 erhielt Kerstin Stemmer von der Universität Konstanz die Möglichkeit, sich für einen zweijährigen Forschungsaufenthalt am Metabolic Diseases Institute der University of Cincinnati beurlauben zu lassen. Im Anschluss daran wird sie wieder nach Konstanz zurückkehren, um dort eine eigene Nachwuchsgruppe aufzubauen.

Am Metabolic Diseases Institute erforscht Dr. Stemmer derzeit intensiv die negativen Auswirkungen von Fettleibigkeit und Diabetes auf ein erhöhtes Krebsrisiko. „Mit Hilfe modernster bildgebender Verfahren wie Biolumineszenz oder CT-Scanning vergleichen wir momentan das Tumorwachstum in schlanken und übergewichtigen Ratten und Mäusen“, beschreibt die Wissenschaftlerin ihre Arbeit. „Uns interessiert zudem die Fragestellung, ob sich die therapeutischen Erfolge gängiger Krebsmedikamente zwischen fettleibigen und normalgewichtigen Patienten unterscheiden."

Darüber hinaus wird in Kollaboration mit Ethicon Endo-Surgery - dem Weltmarktführer für medizinische Produkte im Bereich bariatrischer Chirurgie - untersucht, ob operative Verfahren zur Reduktion der Fettleibigkeit, wie Magen-Bypass oder Magenresektion, eine Rückbildung bestehender Tumore bewirken und heute gängige Krebstherapien verbessern können.

„Allgemein bieten sowohl der Schutz vor kanzerogenen Substanzen als auch die Behandlung von Krebs großes Potenzial für eine sehr enge Zusammenarbeit zwischen Universität und Industrie oder Wirtschaft“, meint Dr. Stemmer weiter. „Meine Promotion fand bereits in Kollaboration mit der Abteilung für Spezielle Toxikologie der Bayer-Schering AG in Wuppertal statt.“ Die Wissenschaftlerin kann sich vorstellen, dass ihre Forschung in Zukunft gemeinsam mit Wirtschaft und Industrie ausgeweitet wird und beispielsweise Microarray-basierte Kurzeitversuche als Testsysteme validiert werden. Des Weiteren könnte ein tieferes Verständnis der Krebsentwicklung bei übergewichtigen und schlanken Menschen dazu beitragen Krebstherapien zu verbessern.

Zur Person:
Dr. Kerstin Stemmer studierte Biologie an der Universität Konstanz. Nach sechsmonatigem Praktikum im medizinischen Labordienst des Ministeriums für Gesundheit und Soziales in Windhoek, Namibia, absolvierte sie in Konstanz ihre Diplomarbeit in Human- und Umwelttoxikologie. Es folgte ein Forschungsaufenthalt am Deutschen Institut für Ernährungsforschung in Potsdam sowie am Max Delbrück Zentrum für Molekulare Medizin in Berlin. Anschließend kehrte die Wissenschaftlerin an die Universität Konstanz zurück und beendete ihre Promotion zum Thema Molekulare Charakteristik der Nierenkanzerogenese 2008 mit summa cum laude. Seit ihrer Doktorarbeit wird sie bei der Deutschen Gesellschaft für Pharmakologie und Toxikologie zur Fachtoxikologin ausgebildet. Sie ist stellvertretende Leiterin der Arbeitsgruppe Human- und Umwelttoxikologie an der Universität Konstanz und von 2010 bis 2012 am Metabolic Diseases Institute der University of Cincinnati tätig. Im Juli 2010 wurde Dr. Kerstin Stemmer mit dem Nycomed-Preis für Jungforscher ausgezeichnet.

Weiter Informationen zum Beitrag:

Dr. Kerstin Stemmer
Universität Konstanz
Human- und Umwelttoxikologie
Metabolic Diseases Institute, University of Cincinnati OH, U.S.A.
E-Mail: stemmekn(at)ucmail.uc.edu

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/kerstin-stemmer-wichtige-ansaetze-zur-frueherkennung-krebserregender-substanzen