Wie Krebsstammzellen umprogrammiert werden

Alle Zellen eines Tumors stammen von einer einzigen, entarteten Zelle ab, und doch sind sie nicht alle gleich. Nur wenige von ihnen behalten die Fähigkeit der ursprünglichen Zelle, einen ganzen Tumor wachsen zu lassen. Diese Krebsstammzellen können in andere Gewebe einwandern und tödliche Metastasen bilden. Um Krebs auszuheilen, ist es entscheidend, all diese Zellen aufzuspüren und zu eliminieren, denn wenn welche entkommen, können diese den Tumor wieder wachsen und sich im ganzen Körper ausbreiten lassen. 

Ein in diesem Zusammenhang interessantes Molekül haben jetzt Dr. Liang Fang und seine Kollegen aus der Arbeitsgruppe von Professor Walter Birchmeier entdeckt. Sie arbeiteten dabei mit der Screening Unit des MDC und des FMP sowie der Abteilung Medizinische Chemie am FMP und der Firma EPO zusammen. Das Molekül unterbricht biochemische Signale, die lebenswichtig für bestimmte Tumorzellen sind, so genannte Wnt-abhängige Krebsstammzellen. Ihre Studie ist kürzlich in der online-Ausgabe der Zeitschrift Cancer Research erschienen. Entdeckt haben die Forscher das Molekül mithilfe einer speziellen Strategie, dem „rationalen Wirkstoffdesign“. Dabei nimmt man – basierend auf den molekularen Abläufen einer Krankheit – gezielt bestimmte Moleküle ins Visier. 

Eine der großen Herausforderungen bei der Krebstherapie ist die Zerstörung von Tumorzellen, ohne ihre gesunden Nachbarn zu schädigen. Da Krebs aus körpereigenen Geweben entsteht, ist es schwer, ein Therapeutikum zu finden, das zwischen den Zellen unterscheiden kann. Und selbst wenn ein Medikament diese Hürde nimmt, wirkt es vielleicht nicht gegen Krebsstammzellen, deren biochemische Eigenschaften sich minimal von denen der Mehrzahl an Tumorzellen unterscheiden

Tumorzellen kapern einen wichtigen Signalweg

Jahrelange Forschungen von Prof. Birchmeiers Arbeitsgruppe zur Biochemie der Signalwege in Krebszellen bildeten die Grundlage für Dr. Liang Fang und seine Kollegen. Ein Großteil ihrer Arbeit bestand in der Kartierung eines molekularen Netzwerks, dem Wnt-Signalweg, der eine entscheidende Rolle bei der gesunden Embryonalentwicklung spielt. Beim Erwachsenen hilft dieses System, Struktur und Integrität von Geweben aufrecht zu erhalten. Seine Aktivität muss sehr genau geregelt werden, bei vielen Krebsarten jedoch ist das System fehlgeschaltet. Tumorzellen kapern es, um ihr eigenes, unkontrolliertes Wachstum, Überleben und die Migrationen zu fördern, die sich dann in Metastasen äußern.

Der neue beta-Catenin/TCF4-Inhibitor LF3 reduziert das Tumorwachstum und supprimiert Krebs-Stammzellen. Linkes Bild: Ohne Behandlung zeigten die großen Tumore beta-Catenin oft im Zellkern (rote und blaue Färbung überlappen), was starke Wnt-Signalgebung anzeigt und sie als Krebsstammzellen ausweist. Rechtes Bild: LF3-Behandlung hat die Tumore zurückgedrängt (hier nicht gezeigt) und beta-Catenin aus den Kernen entfernt. Im weiteren wurde die Differenzierung der Krebzellen induziert, was durch die Expression des Markers Keratin20 (grün) gezeigt wurde. Aufnahmen: Liang Fang, AG W. Birchmeier, MDC

Die Bezeichnung Wnt ist von einer Gruppe sekretorischer Proteine abgeleitet. Wie die meisten Signalwege wird auch das Wnt-System normalerweise aktiviert, sobald ein Wnt-Molekül abgegeben wird, an Rezeptoren benachbarter Zellen bindet und in deren Innern eine biochemische Signalkette auslöst. Die chemische Botschaft wird von einem Molekül zum andern weitergeleitet, bis sie einen Transkriptionskomplex aktiviert, der in den Zellkern eindringen und Gene anschalten kann. Als Reaktion auf den Umgebungsreiz produziert die Zelle daraufhin RNAs und Proteine. Bei Krebs kann die Signalgebung unabhängig von solchen Stimuli durch Mutationen bei Onkogenen und Tumorsuppressorgenen erfolgen, die im Wnt-Signalweg „nachgeschaltet“ sind und ständig aktiviert werden, obwohl sie kein Signal empfangen haben.

Die Suche nach einem Angriffspunkt

Viele Medikamente wirken, indem sie verhindern, dass Rezeptoren Signale empfangen. Bei Krebsarten unter Beteiligung von Wnt würde das nicht funktionieren, da die Defekte an späterer Stelle auf dem Signalweg auftreten. Genau an diesen nachgeschalteten Stellen hoffen Forscher, geeignete Zielpunkte zu finden, um so einzugreifen, dass nur das Signal in defekten Zellen unterbrochen wird.

In der aktuellen Studie konzentrierten sich Liang Fang und seine Kollegen auf einen Bestandteil des Wnt-Signalwegs, das Beta-Catenin. „In Abwesenheit eines Umgebungssignals wird Beta-Catenin aus dem Zellkern ausgesperrt“, erklärt Birchmeier. „Es wird mit einem Komplex von Proteinen verbunden, die es schließlich auseinandernehmen. Externe Signale können es von diesem ‚Zerstörungskomplex’ befreien, und es wandert in den Zellkern.“

Dort bindet Beta-Catenin an Transkriptionsfaktoren wie das Protein TCF4, und in Kombination aktivieren die Moleküle ganz bestimmte Zielgene. In den letzten Jahren konnten das Team von Birchmeier und andere zeigen, dass Krebsstammzellen einer ständigen Stimulation über diesen Signalweg bedürfen: Nur so überleben diese Zellen und behalten ihre Eigenschaften, die sie so gefährlich machen.

Idealer Job für die Screening Unit

Den Forschern kam der Gedanke, dass ein Wirkstoffmolekül die Interaktion zwischen Beta-Catenin und TCF4 möglicherweise unterbrechen kann. Nur: Kontakte zwischen zwei Proteinen lassen sich mit den kleinen Molekülen, aus denen Medikamente bestehen, kaum lösen, denn Proteine binden über große Teile ihrer Oberflächen aneinander. Ein relativ kleines Hindernis kann also die Interaktion kaum verhindern.

Ein Pipettier-Roboter kann große “Substanz-Bibliotheken” nach Wirkstoffkandidaten durchforsten. Foto: Jens von Kries/Screening Unit

Allerdings schien es, als seien die entscheidenden Kontaktpunkte zwischen Beta-Catenin und TCF4 nur kleine „Hotspots“, die sich vermutlich mit einem Inhibitor blockieren lassen würden. Diese Fragestellung legte Liang Fang der campuseigenen Screening Unit vor, einer Partnerschaft zwischen MDC und FMP. Die Einrichtung verfügt über Hochdurchsatz-Technologieplattformen und eine „Bibliothek“ aus zehntausenden Substanzen, mit denen Wissenschaftler nach Inhibitoren suchen.

Dr. Jens von Kries, Leiter der Screening Unit, war früher Mitglied von Birchmeiers Laborgruppe und mit der Geschichte von Beta-Catenin bestens vertraut: Mitte der 1990er Jahre war er an der Entdeckung beteiligt, dass das Molekül an eine Reihe von Transkriptionsfaktoren bindet, darunter TCF4.

„Das sah von Anfang an wie die ideale Fragestellung für unsere Einrichtung aus“, sagt von Kries. „Es wäre viel schwieriger gewesen, andere Beta-Catenin-Interaktionen zu beeinflussen, die große Oberflächen einnehmen – ungefähr so, als wolle man einen Elefanten verschieben, indem man eine Erbse auf den Boden legt.“

Um einen Inhibitor zu finden, nutzten die Forscher die Technologien AlphaScreen und ELISA. Bei letzterer werden TCF4-Moleküle auf Mikrotiterplatten fixiert. Dann werden Beta-Catenin und einzeln nacheinander Substanzen aus der Bibliothek hinzugefügt. Wenn eine Substanz die Interaktion gestört hat, binden die Moleküle in geringerem Maße. Bei diesen Screenings stellte sich heraus, dass eine Substanz namens LF3 die Bindung stark hemmte. Dr. Martin Neuenschwander und Dr. Edgar Specker, Forscher der Screening Unit und der FMP-Abteilung Medizinische Chemie, wiederholten das Experiment mit zehn chemisch ähnlichen Substanzen, und wieder erwies sich LF3 als stärkster Inhibitor.

Ein letzter Test

Unter reinen Laborbedingungen, quasi im Teströhrchen, war die Wirkung damit nachgewiesen, aber würde es auch in Zellen funktionieren? Liang Fang entwickelte eine Zelllinie unter Einsatz eines fluoreszierenden „Reporters“, der zeigen sollte, ob Beta-Catenin und TCF4 es schafften, aneinander zu binden. Es zeigte sich, dass LF3 deren Interaktion in Zellen ebenso wirkungsvoll unterband.

Der nächste Schritt prüfte die Wirkung auf die Eigenschaften von Tumorzellen. Die Forscher entdeckten, dass LF3 mehrere entscheidende Merkmale blockierte: Es unterbrach den Zellzyklus, hinderte sie daran, sich zu vermehren, und verringerte stark ihre Fähigkeit zur Migration. Auf gesunde Zellen schien LF3 keinerlei Einfluss zu haben.

Das waren alles vielversprechende Anzeichen für ein Wirkstoffkandidaten, aber ein letzter Test stand noch aus. Die Wissenschaftler wandten sich an die EPO (Experimentelle Pharmakologie & Onkologie Berlin-Buch GmbH), eine auf dem Campus angesiedelte Ausgründung des MDC. EPO ist spezialisiert auf die Züchtung von Mäusemodellen mithilfe von Tumormaterial einzelner Patienten. Anschließend werden an den Tieren eine Reihe bekannter Medikamente in der Hoffnung getestet, eines zu finden, das gegen diesen spezifischen Krebs wirkt. Im vorliegenden Fall entwickelten alle Tiere Tumoren, auch dann, wenn ihnen nur eine relativ kleine Anzahl angereicherter Darmkrebs-Stammzellen injiziert worden war.

Anschließend wurden die Tiere mit LF3 behandelt. „Es war ein starker Rückgang des Tumorwachstums zu beobachten“, berichtet Birchmeier. „Was von den Tumoren übrig blieb, schien keine Krebsstammzellen mehr zu enthalten – LF3 hatte also anscheinend bewirkt, dass sich diese Zellen zu gutartigem Gewebe ausdifferenzierten. Dabei wurden keine anderen Signalwege außer Wnt gestört. All dies macht LF3 sehr vielversprechend für die Weiterentwicklung als Leitstruktur für die Suche nach Therapien, die auf menschliche Tumoren abzielen, deren Wachstum und Überleben vom Wnt-Signalweg abhängen.“

Literaturhinweis:

Fang L, Zhu Q, Neuenschwander M, Specker E, Wulf-Goldenberg A, Weis WI, von Kries JP, Birchmeier W. A small-molecule antagonist of the β-catenin/TCF4 interaction blocks the self-renewal of cancer stem cells and suppresses tumorigenesis. Cancer Res. 8. Dez. 2015, pii: canres.1519.2015.

 

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