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Einmal Tumorzelle, immer Tumorzelle? - das Potential der Redifferenzierung

Kleinzellige Lungenkarzinome (SCLC) entwickeln sich aus neuroendokrinen Zellen. Unter üblichen Zellkulturbedingungen vermehren sich SCLC-Zellen in Suspension und adhärieren nur bedingt an einen Untergrund. Bei entsprechender Änderung der Kulturbedingungen (Abb. 1; I+II) wandeln sich adhärente SCLC-Zellen jedoch in neuronenähnliche Zellen um und reduzieren ihre Teilungsaktivität. Rund zwei Drittel der untersuchten Zelllinien zeigen diese Eigenschaften. - Dies könnte ein Ansatz für neue Therapiekonzepte sein.

Abbildung 1: Auf Plastikoberflächen kultiviert, können sich SCLC-Zellen abflachen (A). Modifikation der Kulturbdedingungen führt zur Ausbildung neuritenähnlicher Fortsätze und zur Reduktion der Zellteilung (B). Die schematischen Teilabbildungen sind durch mikroskopische Aufnahmen verdeutlicht.

Kollektivverhalten von Tumorzellen – das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile

Tumorzellen agieren nicht nur als Einzelzellen, sondern auch als Bestandteil eines Zellkollektivs. Hierbei gewinnen sie neue, komplexe Verhaltensweisen, die nicht simpel aus denen der Einzellzellen abgeleitet werden können. Tumorzellen der Schilddrüse wandern als Einzelzellen auf ungünstigen Oberflächen nur schlecht oder gar nicht (Abb. 2). Im Kollektiv wird dieses Defizit kompensiert und die Zellen beginnen zu wandern. – Welche Kommunikationssysteme liegen diesem „Schwarmverhalten“ zugrunde und wie lassen diese sich ausschalten oder zumindest einschränken?

Abbildung 2: Zeitrafferaufnahmen eines wandernden Kollektivs von Schilddrüsentumorzellen im Abstand von 24 Stunden. Die Wachstumsfront hat sich deutlich nach unten verschoben. Einzelzellen, die nicht in das Kollektiv integriert sind, wandern nicht (Pfeil unten). während Einzelzellen, die in den Verband aufgenommen wurden, an der Wanderung teilnehmen (Pfeile oben; die Wanderung lässt sich im hier nicht gezeigten Film gut verfolgen).

Tumorzelllinien: Modelle für primäre Tumore? – ein Blick durch Darwins Augen

In der Forschung werden oftmals Tumorzelllinien verwendet, die schon jahrzehntelang kultiviert wurden und sich während dieser Zeitspannen auch genetisch verändert haben. Für was steht dann solch eine Tumorzelllinie? Ist sie noch Modell des Primärtumors - und falls ja, in welchem Umfang? Um diesen Fragen nachzugehen, untersuchen wir in Zusammenarbeit mit dem Malteser Krankenhaus Bonn/Rhein-Sieg, wie sich primäre SCLC-Zellen in Zellkultur über längere Zeitspannen hin verändern (Abb. 3). Hierzu werden Analysen sowohl auf DNA- (“genomic fingerprinting“) und Proteinebene (Veränderungen und Modifikationen des Expressionsmusters, wie die Aktivierung intrazellulärer Signalkaskaden) vorgenommen, sowie Untersuchungen des Zellverhaltens (Apoptose-, Proliferations-, Resistenzmuster etc.) durchgeführt.

Abbildung 3: Aus der malignen Pleuraflüssigkeit von Krebspatienten isolierte Tumorzellen werden unter standardisierten Laborbedingungen über 12 Monate hin vermehrt. Zu ausgewählten Zeitpunkten (T0 bis T3) werden ihre Eigenschaften auf molekularer, zelllulärer und Verhaltensebene analysiert und die gewonnenen Daten auf Veränderungen hin ausgewertet.

Tumorzelllinien bilden keine homogene Einheit – monoklonal aber heterogen

Tumorzelllinien sind keine homogenen Zellpopulationen. Versuche mit SCLC-Zellen verweisen auf (zumindest) zwei Modellvorstellungen:

Das „Fraktalmodell“: Die Gesamtpopulation besteht aus Einzelzellen mit stark variierenden Verdopplungszeiten (Stunden- bis Wochenzeiträumen). Aus jeder Einzelzelle kann durch aufeinanderfolgende Zellteilungen das gesamte Verteilungsmuster der Verdopplungszeiten erzeugt werden (Abb. 4A). Dies ist analog zur Selbstähnlichkeit eines Fraktals.

Das „ nicht-klassische Stammzellmodell“: Die Gesamtpopulation besteht aus zwei Subpopulationen, deren Mitglieder durch Teilung auch ineinander übergehen können. Eine Subpopulationen teilt sich schnell und ist begrenzt teilungsfähig, die andere teilt sich langsam und ist unbegrenzt teilungsfähig. Im Kontext eines linearen Stammzellmodells entspricht die erste Subpopulation „transient amplifying cells“, die zweite klassischen Stammzellen (Abb. 4B).

Abbildung 4A: Fraktalmodell - die Zellen einer Population teilen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (hier beispielhaft als Gauss-Verteilung dargestellt). Aus den Nachkommen einer Einzelzelle kann das gesamte Teilungsmuster einer Population regeneriert werden.

Abbildung 4B: Nicht-klassisches Stammzellmodell - Zelllinien bestehen aus zwei Subpopulationen, die sich in ihrem Replikationspotential (begrenzt vs. unbegrenzt) und ihrer Verdopplungszeit (schnell vs. langsam) unterscheiden. Bei Zellteilungen können Umwandlungen in die andere Population erfolgen, insbesondere kann es zur Erzeugung neuer Stammzellen kommen (rote Ellipse). Diese Möglichkeit wird im klassischen Stammzellmodell nicht berücksichtigt.

Neue Zielmoleküle für die Behandlung von Gliomen? – Galectin-3, Runx2 und mehr

Bei der Untersuchung von Gliomzellen wurden mit Galectin-3 und Runx2 zwei Moleküle identifiziert, die in Tumorzellen, nicht aber im gesunden Gehirn vorkommen (Abb. 5). Bei Galectin-3 handelt es sich um ein bei Tieren vorkommendes Lektin, bei Runx2 um einen Transkriptionsfaktor. – Aufgrund ihrer selektiven Expression könnten diese Moleküle Angriffspunkte für neue Therapieverfahren darstellen.

Abbildung 5: Die Störung der Funktion von selektiv in Gliomzellen vorkommenden Molekülen könnte therapeutisches Potential besitzen. Die Aufnahme zeigt den immuncytochemischen Nachweis von Galectin-3 in einer menschlichen Gliomzelllinie. (N.N. steht für ein Stellglied in einem Signalweg).

Potentielle Mittel zur Tumorbehandlung können in Tumorzellen gegenläufige Effekte erzeugen - der Yin-Yang-Effekt

Die Wirkung vieler in der Tumortherapie genutzter Substanzen zielt auf eine Blockade zelleigener Signalkaskaden. Bei der Untersuchung von Tumorzellen der Schilddrüse fanden wir ungewöhnliche Wirkungsabläufe. So konnte ein und dieselbe Substanz die Teilungsrate von Tumorzellen unterdrücken, gleichzeitig aber deren Wanderungsgeschwindigkeit erhöhen (Abb. 6). – Solche Yin-Yang-Effekte sollten bei der Behandlung von Tumoren berücksichtigt werden.

Abbildung 6: Bei Applikation des Inhibitors I kommt es zu Einschränkungen des zellulären Aktivierungsstatus, hier exemplarisch für die Proliferations- und Migrationskapazität dargestellt. Abhängig vom Inhibitor und der verwendeten Zelllinie können Yin-Yang-Effekte auftreten, was im gezeigten Beispiel für Inhibitor II wohl zu einer Reduktion der Proliferations-, aber zu einer Erhöhung der Migrationskapazität führt. Die Kreise stellen Proliferations- und Migrationskapazität der Tumorzellen vor (rot) und nach Inhibitorgabe (blau, grün) dar.