3D Technik enthüllt genetische Vielfalt in Tumoren

Die personalisierte Krebsmedizin nutzt individuelle, genetische Tumormerkmale. Doch ein Tumor entwickelt Regionen mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung. Modelle des Deutschen Konsortiums für Translationale Krebsforschung zeigen diese nun.

Die personalisierte Krebsmedizin nutzt individuelle, genetische Tumormerkmale. Doch ein Tumor entwickelt Regionen mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung. Modelle des Deutschen Konsortiums für Translationale Krebsforschung (DKTK) zeigen dies nun im Detail.

dreidimensionales Tumormodell

Das dreidimensionale Tumormodell zeigt, in welchen Arealen die Kopienzahl des Gens BRCA2 im Darmkrebstumor vervielfältigt oder reduziert wurde. In Zellen des inneren Tumorbereichs, das dem Darmlumen zugewandt ist, fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler besonders viele Kopien des Gens (dunkelrot), während in einigen äußeren Regionen die Kopienzahl kaum zunahm (hellrot) oder unverändert blieb (weiß).

Christine Sers, Soulafa Mamlouk/Charité Berlin

Jeder Tumor nutzt bei seiner Entstehung eigene Wege und entwickelt dabei eine spezielle genetische Signatur. Mithilfe der molekularen Tumordiagnostik können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler individuelle Krebsmerkmale herausfiltern und für die personalisierte Krebsmedizin nutzbar machen. Die von der Diagnostik abgeleiteten Biomarkerprofile von Erkrankten ermöglichen den Einsatz von Krebstherapeutika, die gezielt an einer bestimmten Erbgutveränderung ansetzen. In der Medizin werden die Tumorprofile eingesetzt, um das Ansprechen auf eine Krebstherapie vorherzusagen und Patientinnen und Patienten der erfolgversprechendsten klinischen Studie zuzuweisen. Bestimmte Behandlungen werden damit auch verträglicher: In der Radiochemotherapie helfen beispielsweise Biomarker dabei, Prognose-Scores zu ermitteln, um die Strahlendosis möglichst niedrig zu halten.

Doch trotz gezielter molekularer Tests lässt sich oft nicht vorhersagen, wie gut eine Therapie anschlagen wird. In einigen Fällen kommt der Tumor nach erfolgter Therapie zurück und die Krebszellen werden resistent. Der Grund: Tumore unterscheiden sich nicht nur von Mensch zu Mensch, sondern besitzen eine eigene Anatomie mit genetisch unterschiedlichen Regionen. „Aktuelle Studien zeigen immer deutlicher, dass einzelne Tumore auch aus genetischer Sicht keine homogene Einheit sind“, erklärt Professorin Christine Sers, Abteilungsleiterin für Tumorpathologie der Charité Berlin. „Sie entwickeln Subregionen mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung und können daher auch ganz unterschiedlich auf eine Therapie reagieren.“

Inwiefern Tumore ihre „innere“ Heterogenität nutzen, um sich an ihre Umgebung anzupassen oder einer Therapie zu entgehen, ist derzeit in der Krebsforschung ein vieldiskutiertes Thema. Im DKTK widmen sich gleich mehrere Projekte der Erforschung der Tumorheterogenität. „Wir haben allerdings bestenfalls ein bruchstückhaftes Bild davon, wie heterogen einzelne Tumoren sind. Bisherige Analysen konzentrierten sich auf einzelne Gewebeproben und stellten noch keinen räumlichen Zusammenhang her“, betont Sers.

Dreidimensionales Abbild der Tumorevolution

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus in Dresden und der Technischen Universität München beschloss die Wissenschaftlerin, mit einem neuen Ansatz die genetische Vielfalt eines Tumors in all ihren Einzelheiten zu sezieren. Das Team zerteilte einen Darmtumor in 68 Proben aus unterschiedlichen Geweberegionen und analysierte 100 bekannte Gene, die beim Darmkrebs häufig verändert sind. Anschließend rekonstruierten sie die genetischen Unterschiede in einem dreidimensionalen Tumormodell. Mit der so erreichten hohen Auflösung wurden auch genetische Veränderungen sichtbar, die nur in einem sehr geringen Prozentsatz der Tumorzellen vorlagen.

Tatsächlich zeigte das Modell eine genetische Entwicklung mit deutlichen Trends: Zahlreiche krebsrelevante Gene wurden in den Geweberegionen des Tumors entlang eines Gradienten von innen nach außen vervielfältigt oder reduziert. Beim Übergang vom äußeren zum inneren, dem Darmlumen zugewandten Tumorbereich, fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise zahlreiche Genvervielfältigungen für das Gen BRCA2, das auch bei Brustkrebs eine entscheidende Rolle spielt. Ein regelrechter „Hot spot“ für Genvervielfältigungen war die invasive Tumorregion, die in angrenzendes gesundes Gewebe hineinwächst, beispielsweise für das Gen HDAC2, das ein zentrales Enzym der Genregulation kodiert.

Genkopienzahl als treibende Kraft bei der Entstehung von Krebs

Mini-Darmkrebstumore

Bei den etwa 0,1 mm großen „Donuts“ handelt es um aus Patientenmaterial in Zellkultur gezüchtete Mini-Darmkrebstumoren. Die Form entspricht annähernd der Form eines kleinen funktionellen Darmabschnittes. Um diese Struktur sichtbar zu machen, wurde das Gen für „Green-fluorescent protein (GFP)“ in alle Zellen eingebracht (grün).

Dirk Schumacher/Charité Berlin

Die Tatsache, dass sich die Krebszellen unterschiedlicher Tumorregionen hauptsächlich in der Genkopienzahl und nicht durch einzelne Mutationen im Erbgut unterschieden, war auch für Sers und ihr Team eine Überraschung: „Bisher glaubte man, dass Mutationen die treibende Kraft bei der Entstehung von Krebs sind. Unsere Ergebnisse lassen jetzt darauf schließen, dass Tumorprogression und Therapieverhalten entscheidend durch Genvervielfältigung und Genverlust bestimmt werden“, sagt Sers.

Auch der Vergleich von Primärtumoren und deren Absiedlungen scheint diese Theorie zu bestätigen. Die Forschenden analysierten jeweils den Primärtumor und verschiedene Metastasen von 27 Patientinnen und Patienten. Gene wie CDX2 und WFDC2, welche die Metastasenbildung und das Tumorwachstum begünstigen, waren in den Metastasen vervielfacht, während das Tumorsuppressorgen SMAD4 dort in besonders geringer Kopienzahl vorlag. „Selbst wenn zwischen der Probe aus dem Primärtumor und den entnommenen Metastasen fünf Jahre lagen, gab es kaum neue Mutationen“, beschreibt Sers. „Anscheinend begünstigt die Tumorevolution nur ganz bestimmte Treibermutationen, während die DNA-Sequenz des restlichen Tumorgenoms weitestgehend unverändert bleibt, soweit sich dies an den 100 analysierten Genen ablesen lässt.“

Eine Biopsie erklärt noch keinen Tumor

Mit dem 3D-Modell wird die Heterogenität, die im Inneren von Tumoren herrscht, zur Gewissheit. Christine Sers weiß, dass auch die Routinediagnostik damit vor ganz neuen Herausforderungen steht: „Gängige Biopsien, die punktuell entnommen werden, geben nicht immer Aufschluss über alle Tumormerkmale, die für die Therapieplanung oder Entwicklung einer zielgerichteten Therapie wichtig sind. An mehreren Stellen Gewebematerial zu entnehmen sei jedoch häufig zu risikoreich für den Betroffenen.

Biopsien zu verbessern und neue Techniken zu entwickeln, sehen viele Fachleute daher als eine der wichtigsten Aufgaben der personalisierten Krebsmedizin. Grund zur Hoffnung geben Techniken, wie die Liquid-Biopsy, mit deren Hilfe die Tumor-DNA im Blut von Erkrankten aufgespürt werden kann. „Wenn die Technik zuverlässig funktioniert, wäre es damit vielleicht auch möglich, das gesamte Spektrum der genetischen Vielfalt eines Tumors zu erfassen“, sagt Sers. Auch ihr 3D-Modell könnte künftig zu einer differenzierteren Diagnose beitragen. „Dazu müsste es uns allerdings unter anderem gelingen, den Prozess zu automatisieren. Momentan ist die Erstellung des 3D-Modells noch zu aufwendig und zu teuer, als dass wir sie routinemäßig einsetzen könnten“, meint Sers.

Den Tumor in die Katastrophe treiben

Professorin Dr. Christine Sers

Professorin Dr. Christine Sers

Birgit Formann/Charité Berlin

Vorerst planen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die 3D-Technik zu nutzen, um die Tumorevolution und die Ausbildung von Resistenzen im Detail zu verstehen. „Bestimmte Tumorregionen, in denen ganze Chromosomenabschnitte oder einzelne Gene vervielfacht sind, können sich genetisch besonders gut anpassen und werden möglicherweise auch schneller gegen Therapien resistent“, sagt Christine Sers. „Studien haben bereits gezeigt, dass Genvervielfältigungen bei der Therapieresistenz von Darmtumoren eine Rolle spielen.“

3D-Modelle von Tumoren aus Biobanken sollen jetzt zeigen, ob das Vervielfältigen von Genen auch bei anderen Krebsarten die treibende Kraft bei der Tumorevolution ist. Mit in Zellschalen kultivierten Mini-Tumoren, sogenannten Tumororganoiden, soll zudem getestet werden, wie sich die Tumorgenetik unter dem Einfluss von Krebstherapeutika verändert. „Mit der 3D-Technik können wir die Tumorevolution in Aktion beobachten, zum Beispiel, ob bestimmte Tumorregionen unter dem Einfluss von Therapeutika Gene vervielfältigen oder verlieren“, erklärt Sers. Die Genvervielfältigungen, vermutet die Forscherin, könnten auch einen indirekten Effekt auf die Tumorentwicklung haben: „Wir sehen, dass sich der genetische Hintergrund entscheidender Treibermutationen ändert. Je nach Tumorstadium und -region befinden sich in der Umgebung mehr oder weniger Kopien bestimmter Gene.“

Könnte man auf diesem Weg auch in die Tumorevolution eingreifen? „Das ist derzeit eine spannende Diskussion“, sagt Christine Sers und wagt einen Blick in die Zukunft: „Wenn wir verstehen, wie es zu den Genvervielfältigungen im Tumor kommt, wäre es durchaus denkbar, Prozesse der Tumorevolution zum Beispiel durch Blockade der DNA-Reparatur zu stören und den Tumor damit gezielt in die Katastrophe zu lenken.“

Deutsches Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK)

Das Deutsche Konsortium für Translationale Krebsforschung, kurz DKTK, ist eines von sechs Deutschen Zentren der Gesundheitsforschung, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert werden. Im DKTK bündeln Forscherinnen und Forscher aus mehr als 20 universitären und außeruniversitären Einrichtungen in ganz Deutschland ihre Kräfte im Kampf gegen Krebserkrankungen. Das Deutsche Krebsforschungszentrum in Heidelberg verbindet sich als Kernzentrum mit sieben universitären Partnerstandorten im Konsortium mit einigen der stärksten Krebsforschungs- und Krebstherapiezentren in Deutschland.

Ansprechpartner: 

Prof. Dr. Christine Sers
Charité, Universitätsmedizin Berlin
Institut für Pathologie
Charitéplatz 1
10117 Berlin
030 450-536 185
christine.sers@charite.de

Pressekontakt:
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