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Wie man Blutgefäße in Schach hält

Blutgefäße sind in ihrem Inneren von einer hauchdünnen Zellschicht ausgekleidet: das Endothel.  Es stellt eine entscheidende Barriere zwischen Blut und umliegenden Gewebe dar und fördert den Austausch von Sauerstoff und Nährstoffen, verhindert aber gleichzeitig den unkontrollierten Austritt von Blutbestandteilen. Nur bei erhöhtem Stoffwechselbedarf des Gewebes, etwa bei Wachstum, Wundheilung oder auch wenn ein Tumor entsteht, geben Endothelzellen diesen stabilen Zellverband auf, um sich zu teilen und neue Blutgefäße zu bilden. Die Signale, die dieses Aktivwerden auslösen, sind gut untersucht.

Wenig wusste man bisher darüber, wie Endothelzellen ihren stabilen Ruhezustand aufrechterhalten. Genau dies haben Wissenschaftler nun herausgefunden. Sie wussten auch schon, wo sie ansetzen mussten, am Faktor FOXO1, einem Stoffwechsel- Metabolit, der das Ablesen von Erbinformation in Zellen steuert. Wie genau er dabei vorgeht, wurde nun enträtselt. Nach Isolierung sämtlicher Stoffwechselprodukte aus den Zellen, fiel auf, dass vor allem die Konzentration von 2-Hydoxyglutarat durch FOXO1 anstieg, eine Substanz, die bereits in der Krebsmedizin große Bekanntheit erlangt hat.  Die ForscherInnen fanden allerdings heraus, dass es sich um eine besondere Form des 2-Hydroxyglutarat handelt: das S-2-Hydroxyglutarat. Nur diese Substanz war in der Lage Endothelzellen in der Quieszenz, also in Ruhestellung zu halten.

Vor dem Hintergrund, dass ein „Zuviel“ oder ein „Zuwenig“ von neuen Blutgefäßen bei vielen Krankheiten eine Rolle spielt, ist es wichtig, die grundlegenden Mechanismen dahinter besser zu verstehen, sie die Studienautoren. Langfristiges Ziel ist es, das Wachstum und die Funktion von Blutgefäßen gezielt und möglichst ohne Nebenwirkungen therapeutisch beeinflussen zu können.

Referenz:
Charité Berlin; MDC, Max-Planck Institut, Berlin; Cambridge University; Cold Spring Harbor Lab; CHUV, CH; IBS, Korea
Control of endothelial quiescence by FOXO-regulated metabolites, Nature Cell Biology 2021; https://www.nature.com/articles/s41556-021-00637-6

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Entwicklungsbiologie Genetik Leben Onkologie Wissenschaft

Was Gewebe „flüssig“ macht

Bei der Untersuchung von Zebrafischembryos beobachteten WissenschafterInnen am Institute of Science and Technology (IST) Austria eine abrupte und drastische Veränderung: Innerhalb weniger Minuten verflüssigt sich das relativ feste Gewebe. Was dazu führt, konnten sie jetzt in einer multidisziplinären Studie klären.  

Zebrafische haben einige Vorteile, die ihn zu einem der beliebtesten Modellorganismen von EntwicklungsbiologInnen wie Nicoletta Petridou (IST Austria) machen. Sie entwickeln sich innerhalb von Tagen und die Embryonen tun dies außerhalb ihrer Mütter und sind transparent – man kann den Organen also beim Wachsen zusehen. Dabei zeigt sich eine plötzliche Veränderung der Viskosität des Gewebes – im frühen Stadium ist das Gewebe sehr starr, aber plötzlich sinkt die Viskosität um das Zehnfache, das Gewebe verflüssigt sich und der Embryo verändert sich deutlich. Mittels eines Konzepts der Materialwissenschaft erkannte das Team, dass jede Zelle, die nur mehr mit vier Nachbarzellen verbunden war, eine ganz besondere Grenze markiert: ab dieser Zahl lockert sich der Zellverband – und das Gewebe wird „flüssig“.

Dieser Phasenübergang im Gewebe ist essentiell für die weitere Entwicklung des winzigen Fischembryos, scheint aber auch beim Wachstum von Krebszellen eine Rolle zu spielen. Neueste Studien zeigen, dass wenn ein Tumor metastasiert, sich das Gewebe ebenfalls abrupt von fest zu flüssig verändert. Das könnte Krebszellen dabei helfen, sich leichter zu bewegen. „Wenn man diesen kritischen Punkt ermitteln kann, eröffnet das Wege, ihn zu manipulieren“, so Petridou. „Wir haben noch nicht die Werkzeuge dafür, aber anstatt sich konzeptionell auf eine Vielzahl von Genen zu konzentrieren, die beim Krebswachstum eine Rolle spielen könnten, könnte man bei dem kritischen Punkt ansetzen, der die Gewebeveränderung auslöst.“

Referenz:
IST Austria
Rigidity percolation uncovers the structural basis of embryonic tissue phase transitions. Cell 2021;

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00167-7

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Molekulare Medizin Neurologie Pädiatrie Wissenschaft

Neuroblastom: Welcher Faktor begünstigt Rückfälle?

Neuroblastome sind nach Hirntumoren die häufigsten soliden Tumoren bei Kindern und entstehen aus unreifen Vorläuferzellen des Nervensystems. In einigen Fällen bilden sich Neuroblastome ohne jegliche Therapie komplett zurück. Bei etwa der Hälfte der Patienten kann jedoch auch eine hochintensive Therapie das Wachstum nicht verhindern.

Bösartige Neuroblastome nutzen einen Trick, um unendlich teilungsaktiv zu bleiben: Sie verlängern ihre Chromosomenenden (Telomere), so dass die Zellen quasi „unsterblich“ werden. Auf molekularer Ebene machen Krebszellen das auf zwei Wegen, sie überaktivieren das Enzym Telomerase oder sie verlängern die Chromosomenenden durch Neuanordnung ihrer Telomerabschnitte (alternativer Mechanismus). In beiden Fällen haben die jungen Patienten eine schlechte Prognose.

Das bestätigten auch die Daten von 760 Neuroblastom-Patienten einer eben publizierten Studie. Sie zeigt, dass bei fast der Hälfte der Patienten nicht die Überaktivierung der Telomerase, sondern der alternative Mechanismus für die Telomerverlängerung verantwortlich ist. Die Wissenschaftler untersuchten auch erstmals, welche molekularen Prozesse diesen speziellen Verlängerungsmechanismus begünstigen.

Die Erkenntnisse daraus könnte man nutzen, um bessere Therapien zu entwickeln. Bisher werden die jungen Patienten alle mit den gleichen Chemotherapie-Protokollen behandelt. Diese Therapien greifen vor allem schnell wachsende Krebszellen an. Krebszellen mit dem alternativen Mechanismus wachsen aber eher langsam, sind extrem widerstandsfähig und kehren wieder. Im nächsten Schritt wird nun daran gearbeitet, eine spezifische Therapie für diese Tumoren zu entwickeln, die vielleicht auch bei anderen Krebsarten, die diesen Telomer-Verlängerungsmechanismus nutzen, zum Einsatz kommen könnte.

Referenz:
DKFZ, KiTZ, Heidelberg; Universität HD
Alternative lengthening of telomeres in childhood neuroblastoma from genome to proteome; Nature Communications 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-21247-8

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Genetik Onkologie Wissenschaft

Krebszellen auszuhungern könnte funktionieren

Die Idee, Krebszellen einfach verhungern zu lassen, hatten schon viele Forscher. Jetzt lässt ein neuer Ansatz eines internationalen Wissenschaftlerteams aufhorchen, der diesem Ziel bereits sehr nahekommt. Ein neu entwickelter Wirkstoff lässt Krebszellen aushungern, indem er ihre „Kraftwerke“ – die sogenannten Mitochondrien – angreift.

Lange ging man davon aus, dass das Wachstum von Krebszellen weniger stark vom Beitrag der Mitochondrien abhängt. Diese Lehrmeinung wurde jedoch in den letzten Jahren zunehmend in Frage gestellt. Besonders Krebsstammzellen sind in hohem Maße vom mitochondrialen Stoffwechsel abhängig. Jetzt ist es gelungen, ein potenzielles Krebsmedikament zu entwickeln, das auf die Funktion der Mitochondrien abzielt, ohne schwere Nebenwirkungen zu verursachen und ohne gesunde Zellen zu schädigen. Es hemmt die mitrochondiale RNA-Polymerase (POLRMT), einen Schlüsselregulator der Genaktivität.

Der Hemmstoff verringerte die Lebensfähigkeit von Krebszellen stark und verlangsamte das Tumorwachstum in tumortragenden Mäusen signifikant. „Unsere Daten deuten darauf hin, dass wir Krebszellen im Grunde aushungern und so zum Sterben bringen. Zumindest für eine gewisse Zeit, ohne große Nebenwirkungen. Dies gibt uns ein potenzielles therapeutisches Zeitfenster für die Behandlung von Krebs“, so Mitautorin Nina Bonekamp, MPI Köln. „Ein weiterer Vorteil unseres Hemmstoffs ist, dass wir genau wissen, wo er an POLRMT bindet und was er mit dem Protein macht. Das steht im Gegensatz zu einigen anderen Medikamenten, die sich sogar im klinischen Einsatz befinden. Natürlich ist es faszinierend, sein Potenzial als Krebsmedikament weiter zu verfolgen, aber auch als Modellverbindung, um die zellulären Auswirkungen mitochondrialer Funktionsstörungen und mitochondrialer Erkrankungen besser zu verstehen.“

Referenzen:
Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns, Karolinska Institut, Universität Göteborg
Small molecule inhibitors of human mitochondrial DNA transcription, Nature, 2020; https://www.nature.com/articles/s41586-020-03048-z

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Immunologie Wissenschaft

Abwehrzellen graben Tunnel zum Tumor

Im Kampf gegen Krebs hilft vor allem Schnelligkeit: Je früher ein Tumor entdeckt wird, desto schneller kann der Körper die Tumorzellen abtöten. Dies erledigen so genannte zytotoxische T-Lymphozyten (CTLs). Davon gibt es schnelle und langsame Exemplare. Forscher der Saar-Uni haben nun einen interessanten Sachverhalt beobachtet, den sie in einer hochrangigen Publikation beschreiben: Die langsamen Zellen verkürzen den Weg für die Killerzellen zum Tumor, indem sie Tunnel in das Körpergewebe bohren.

Wie ein Team um den Physiker Heiko Rieger nun herausgefunden hat, geht die körpereigene Abwehr dabei vor wie Soldaten im Krieg: Bevor ein Angriff in unbekanntem Gelände erfolgreich durchgeführt werden kann, kommen die Pioniere und bereiten den Kampftruppen den Weg. Im Falle des Immunsystems bedeutet das: Manche CTLs bewegen sich recht langsam fort; diese graben Tunnel in die so genannte extrazelluläre Matrix (ECM), das die Zellen umgebende Körpergewebe, das üblicherweise aus ECM-Proteinen wie Kollagen besteht. Durch diese Tunnel oder Kanäle bewegen sich dann andere CTLs sehr schnell hindurch, um durch diese Abkürzungen möglichst schnell an ihrem Zielort anzukommen, idealerweise bei den Tumorzellen, die sie dann vernichten können.

Die mathematische Modellierung, also die Simulation am Computer, legt nahe, dass die Zellen zwischen langsamen und schnellen Zuständen wechseln können. Ähnliche Bewegungstypen wurden bereits früher für natürliche Killerzellen (NK-Zellen) beobachtet und experimentelle Beweise unterstützten diese Annahmen.

Für die Zukunft planen die Forscher, den langfristigen Einfluss von T-Zellen auf die ECM zu analysieren. „Zu verstehen, wie CTLs in solchen Geweben wandern, könnte zu neuen therapeutischen Strategien bei der Verhinderung von Metastasenbildung in frühen Krebsstadien führen“, so Rieger.

Referenzen: Universität des Saarlandes
Migration of Cytotoxic T Lymphocytes in 3D Collagen Matrices; Biophysical Journal 1.12.2020; https://www.cell.com/biophysj/fulltext/S0006-3495(20)30825-0

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Onkologie Pneumologie Wissenschaft

Zuckerentzug verlangsamt Wachstum von Lungenkrebs

Tumorzellen brauchen Zucker, um zu wachsen. Durch die Blockade zweier spezifischer, Zucker transportierender Proteine könnte das Wachstum von Lungentumoren verlangsamt werden. Erste Versuche von Forschern an der ETH Lausanne (EPFL) sind vielversprechend.

Die Idee, Krebszellen „auszuhungern“, indem ihnen durch die Blockade von sogenannten Glucosetransportern der Zugriff auf Zucker entzogen wird, ist ein naheliegender Therapieansatz. Unklar war, wie Glucose-Transporter gestoppt werden sollten und ob Krebszellen bei Zuckermangel nicht auf alternative Energielieferanten zugreifen.

Zur Klärung dieser Fragen züchteten die Forscher Mäuse mit Lungenkrebs, denen die Glucosetransporter Glut1 und Glut3 fehlten. Ihre Tumore konsumierten weniger Zucker, wuchsen langsamer und die Mäuse lebten länger als Artgenossen. In einem weiteren Schritt wurden Glut1 und Glut3 in vier verschiedenen, im Labor gezüchteten menschlichen Lungenkrebs-Zelllinien eliminiert, worauf diese Zellen ebenfalls ihr Wachstum verlangsamten. Offenbar sind beide Glucosetransporter nötig, um den Tumor zu ernähren. Im nächsten Schritt wird weiter daran gearbeitet, diese Stoffwechselwege näher zu untersuchen.

Referenz:
ETH Lausanne
Blocking sugar metabolism slows lung tumour growth, eLife, Jun 23. 20, DOI: 10.7554/eLife.53618
https://elifesciences.org/articles/53618

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Genetik Onkologie Therapie Wissenschaft

Immunzellen gezielt gegen Krebszellen scharf machen

Forscher der St. Anna Kinderkrebsforschung in Wien entwickelten ein molekulares Einschaltsystem (Molecular on switch), um gentechnisch veränderte Immunzellen (CAR-T-Zellen) kontrolliert gegen Krebszellen scharf zu machen. Erst durch die Zugabe der an sich wirkungslosen und unschädlichen Substanz „A1120“ können die präparierten Immunzellen die Krebszellen gezielt angreifen.

CAR-T-Zellen die gegen Krebszellen eingesetzt werden, führen im Idealfall zu einer heftigen und lang anhaltenden Immunreaktion, aber auch häufig zu starken Nebenwirkungen wie neurologischen Problemen, Fehlfunktionen der Organe und überschießenden Immunsystem-Aktivitäten führen. Durch das gesteuerte Anschalten der Immunzellen könne man nun diverse Therapeutika sicher pharmakologisch regulieren.

Referenz:

PNAS www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1911154117

St. Anna Kinderkrebsforschung

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Genetik Onkologie Wissenschaft

Was Krebszellen resistent macht

Ein großes Problem in der Krebstherapie ist die Resistenz gegenüber chemotherapeutischen Maßnahmen. Ein internationales Team um die Biochemiker Robert Ahrends von der Universität Wien und Jan Medenbach von der Universität Regensburg hat nun Chemo-Resistenzen als Folge einer speziellen zellulären Stressreaktion identifiziert, die bei den Krebszellen durch ungefaltete Proteine“ ausgelöst wird und Veränderungen im zellulären Stoffwechsel nach sich zieht. Den neuen Mechanismus stellen die Forscher nun in „Nature Communications“ vor.

Um die Unfolded Protein Response (UPR) molekularbiologisch genau zu erfassen, wendeten die Forscher modernste analytische Methoden in Rahmen eines Multiomics-Ansatzes an – also die Kombination von großen Datensätzen aus der Genetik, Protein- und-Stoffwechselforschung. Dabei wurden Moleküle erfasst, die zuvor noch nicht mit der zellulären Stress-Antwort in Verbindung gebracht wurden.

Die Regulation dieser Gene führte etwa zu einem veränderten Folsäure-abhängigen Ein- Kohlenstoff-Metabolismus und darüber hinausgehend zu einer vollständige Resistenz der Zellen gegenüber Chemotherapeutika, die diesen Stoffwechselweg angreifen. Die neue Erkenntnis könnte zu verbesserten Konzepten der Überwindung von Resistenzen in der Krebstherapie führen.

Referenz:
Universität Wien
Pressemitteilung, 10. Juni;
https://news.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/wie-krebszellen-unter-stress-chemo-resistenzen- entwickeln/

Universität Regensburg

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