Kombinationsansatz bietet Hoffnung für Lungenkrebspatienten, die gegen Medikamente resistent werden

Die neue Generation von Lungenkrebsmedikamenten ist bei einer großen Zahl von Patienten wirksam, aber innerhalb eines Jahres entwickeln viele dieser Patienten eine Resistenz gegen die Therapie. Forscher des Weizmann Institute of Science haben in Zusammenarbeit mit Ärzten eine Studie an Mäusen durchgeführt, in der sie bestehende Medikamente in einer neuen Kombination eingesetzt haben, um die potenzielle Resistenz gegen die Therapie zu verhindern. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Clinical Cancer Research veröffentlicht.

Lungenkrebs ist die häufigste Todesursache durch Malignität und verursacht nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation etwa ein Fünftel der Krebstodesfälle weltweit. Neue Medikamente bekämpfen bestimmte Unterarten dieses Krebses, indem sie auf die für jeden Untertyp charakteristischen genetischen Mutationen zielen.

Bei etwa 12 % der Lungenkrebspatienten – die meisten von ihnen Nichtraucher – ist die Malignität auf eine Mutation in einem Gen namens EGFR zurückzuführen. Dieses Gen kodiert einen Rezeptor, der in die Zellmembran eingebettet ist, und zwar in beide Richtungen: Sein „Kopf“, der äußere Teil auf der Zelloberfläche, ist an einen Wachstumsfaktor gebunden, der ein Wachstumssignal an die Zelle überträgt; die „Beine“, der innere Teil innerhalb der Zelle, agieren als Enzym, das das Signal an den Zellkern weiterleitet. Die Wachstumsnachricht von EGFR veranlasst die Zelle zur Teilung, was im Normalfall einen guten Zweck erfüllt – zum Beispiel die Gewebeheilung – aber eine Mutation im inneren Teil des Rezeptors kann dazu führen, dass sich die Zelle unkontrolliert teilt und so zu Krebs führt.

Patienten mit der EGFR-Mutation kann durch kleine Moleküle, sogenannte Kinase-Inhibitoren, geholfen werden, welche die Mutation blockieren und verhindern, dass EGFR ein Signal für eine unkontrollierte Teilung erzeugt.  Diese Medikamente wirken viel besser als eine Chemotherapie: Sie sind wirkungsvoller, verursachen weniger Nebenwirkungen, und sie können als Tablette anstatt durch Injektion verabreicht werden. Das Problem ist, dass viele Patienten innerhalb von 10 bis 14 Monaten eine sekundäre Mutation im EGFR entwickeln. Dies führt zu einem Wiederauftreten der Tumore, da EGFR den Kinase-Inhibitor umgehen kann.

Im Jahr 2015 wurde ein neuer Kinase-Inhibitor unter dem Handelsnamen Tagrisso zur klinischen Anwendung zugelassen, der diese zweite Mutation blockiert, wenn der Lungentumor wieder zu wachsen beginnt. Tagrisso hilft, aber in der Regel nicht sehr lange. Auch hier kommt es innerhalb von 10 bis 14 Monaten zu einer dritten Mutation oder anderen Veränderungen im EGFR-Gen, die einen erneuten Rückfall verursachen.

„Das ist natürlich ein Alptraum für die Patienten, ihre Familien und die Ärzte“, sagt Prof. Yosef Yarden von der Abteilung Biologische Regulierung. „Wir haben jetzt einen neuen Ansatz entwickelt, der bei Mäusen funktioniert und möglicherweise helfen kann, diese frustrierende Situation zu lindern, falls unsere Methode auch beim Menschen funktioniert.“

In Zusammenarbeit mit Ärzten des Chaim Sheba Medical Center in Tel Hashomer, Israel, testete das Team von Yarden eine Kombinationstherapie. Mäuse, denen menschliche Lungenkrebszellen implantiert wurden, erhielten Tagrisso und ein Medikament, das  EGFR auf der Zelloberfläche blockiert. Dieses Medikament istErbitux, ein Antikörper, der sich an den vorstehenden äußeren Teil von EGFR bindet und die Zelle daran hindert, die Wachstumsnachricht zu empfangen. Das Tagrisso, das ihnen verabreicht wurde, wirkt innerhalb der Zelle und verhindert, dass der innere Teil des EGFR, die wachstumsfördernde Kinase, das Wachstumssignal weiterleitet.

Dieser ursprüngliche Versuch einer Kombinationstherapie hatte sich als erfolglos erwiesen, wahrscheinlich weil bei einer Blockade von EGFR auf der Zelloberfläche ein enger „Verwandter“, ein Rezeptor namens HER2, auf der Zellmembran auftaucht.  Daher verabreichten die Forscher in der neuen Studie Mäusen eine Dreifach-Kombinationstherapie, die neben Tagrisso zwei Antikörper anstelle von einem enthielt: Erbitux und ein Medikament namens Herceptin, das HER2 blockiert.

Diesmal funktionierte der Ansatz. Die Tumore schrumpften erheblich und wuchsen nicht nach, solange die Mäuse die Dreifach-Kombinationstherapie erhielten. Die Anwendung dieses Verfahrens beim Menschen sollte dadurch erleichtert werden, dass beide Antikörper bereits für den Einsatz gegen andere Krebsarten zugelassen sind: Erbitux wird bei kolorektalen und Herceptin bei Brustkrebs eingesetzt.

„Wenn die neue Kombinationstherapie beim Menschen erfolgreich ist, kann sie das Leben von vielen tausenden Lungenkrebspatienten verlängern, die gegenwärtig eine Resistenz gegen Kinase-Inhibitoren entwickeln“, so Yarden.

Das Forschungsteam setzte sich zusammen aus Dr. Donatella Romaniello, Luigi Mazzeo, Dr. Maicol Mancini, Dr. Ilaria Marrocco, Ashish Noronha, Matthew Kreitman, Dr. Swati Srivastava, Dr. Soma Ghosh und Dr. Moshit Lindzen von der Abteilung Biologische Regulierung und Dr. Tomer Meir Salame vom Life Sciences Core Facilities Department. Die Weizmann-Wissenschaftler arbeiteten mit Dr. Amir Onn und  Jair Bar, Ärzte am Sheba Medical Center.

Ein 100 Jahre altes Modell über die Entstehung des Lebens erhält bedeutende Untermauerung

Im Jahr 1924 behauptete der russische Biochemiker Alexander Oparin, dass sich das Leben auf der Erde durch allmähliche chemische Veränderungen der organischen Moleküle in der „Ursuppe“ entwickelt habe, die wahrscheinlich vor vier Milliarden Jahren auf der Erde existierte. Seiner Ansicht nach konnte die komplexe Kombination von leblosen Molekülen, die sich in kleinen öligen Tröpfchen zusammenschlossen, die Lebensfähigkeiten annehmen: Selbstreplikation, Selektion und Evolution. Diese Ideen wurden mit erheblichen Zweifeln zur Kenntnis genommen, die auch heute noch bestehen.

Dreißig Jahre später, als die DNA-Struktur entschlüsselt wurde, wurde erkannt, dass dieses Molekül in der Lage ist, sich selbst zu replizieren, was das Rätsel um den Ursprung des Lebens ohne Rückgriff auf Oparins Tröpfchen zu lösen schien. Doch die Kritiker argumentierten, dass das Leben nicht nur Replikatoren, sondern auch Enzymkatalysatoren zur Stoffwechselkontrolle benötigt. Weitere 30 Jahre vergingen, bevor man entdeckte, dass RNA, die Schlüsselkomponente für den Informationstransfer von der DNA zu den Proteinen, auch ein Enzym sein kann. So entstand das Konzept der „RNA-Welt“, wonach das Leben begann, als die „Ursuppe“ ein Ribozym hervorbrachte, das sich replizieren und den Stoffwechsel kontrollieren konnte.

Trotzdem blieben die Zweifel bestehen, denn ein replizierendes Ribosom ist ein hochkomplexes Molekül, das mit vernachlässigbarer Wahrscheinlichkeit spontan in der „Ursuppe“ auftauchen würde. Dies führte zu einem alternativen Konzept – wechselseitig katalytische Netzwerke, die das Kopieren ganzer Molekülgruppen ermöglichen. Diese Idee spiegelt Oparins sich entwickelnde komplexe Kombination einfacher Moleküle wider, von denen jedes mit hoher Wahrscheinlichkeit in der „Ursuppe“ auftritt. Was fehlte, war die Entwicklung eines detaillierten chemischen Modells, das ein solches Narrativ untermauert.

Prof. Doron Lancet und Kollegen vom Weizmann Institute of Science, Abteilung Molekulare Genetik, haben ein solches Modell entwickelt. Zunächst war es notwendig, die geeignete Art von Molekülen zu identifizieren, die sich zusammenschließen und effektiv Netzwerke gegenseitiger Wechselwirkungen bilden können, ganz im Sinne von Oparins Tröpfchen.  Lancet schlug Lipide vor, ölige Verbindungen, die spontan die aggregierten Membranen bilden, die alle lebenden Zellen umschließen. Lipidblasen (Vesikel) können wie lebende Zellen wachsen und sich spalten. So entstand vor zwei Jahrzehnten das Konzept der „Lipidwelt“.

Um die hervorgerufenen molekularen Netzwerke zu analysieren, haben die Forscher  Werkzeuge der Systembiologie und der computergestützten Chemie eingesetzt, die es erlauben, dem eher flüchtigen Konzept der gegenseitig katalytischen Netzwerke Starrheit zu verleihen.

Sie befassen sich zunächst ausführlich mit der quälenden Frage, wie Lipidverbindungen Informationen von einer Generation zur nächsten speichern und übertragen können. Sie entwerfen die bisher kaum erforschte Idee, dass es sich bei der Verbreitung um kompositorische Informationen handelt, und zeigen durch detaillierte Computersimulationen, wie dies geschieht. Darüber hinaus weisen sie auf eine profunde Ähnlichkeit mit der Art und Weise hin, wie wachsende und sich vermehrende lebende Zellen ihre epigenetischen Informationen bewahren, die von der DNA-Replikation unabhängig sind.  

In einem Artikel, der gerade im Journal of the Royal Society Interface erschienen ist, berichten Lancet und Kollegen über eine ausführliche Literaturstudie, die zeigt, dass Lipide eine enzymähnliche Katalyse ausführen können, ähnlich wie Ribozyme. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Bildung der wechselseitigen Interaktionsnetzwerke. Anschließend zeigen die Autoren mit den Werkzeugen der Systembiologie und der computergestützten Chemie, dass die öligen Tröpfchen Informationen über die Zusammensetzung ansammeln und speichern können und bei der Spaltung die Informationen an die Abkömmlinge weitergeben.   

Anhand des von ihnen entwickelten Computermodells zeigten die Wissenschaftler, dass bestimmte Lipidzusammensetzungen, sogenannte „Komposomen“, kompositorische Veränderungen erfahren, die einer natürlichen Selektion als Reaktion auf Umweltveränderungen unterliegen und sogar einer darwinistischen Selektion unterliegen können. Prof. Lancet erläutert, dass ein solches Informationssystem, das auf Kompositionen und nicht auf der Abfolge chemischer „Buchstaben“ wie in der DNA basiert, an das Gebiet der Epigenetik erinnert, wo Merkmale unabhängig von der DNA-Sequenz vererbt werden. Dies bestätigt die Annahme der Wissenschaftler, dass Leben vor dem Auftreten von DNA und RNA entstehen könnte. In ihrem Artikel beschreiben sie sogar einen chemischen Prozess, der zum Auftreten von genetischem Material im Gerüst der öligen Tröpfchen führt.

Das „Lipidwelt“-Konzept von Lancet ist abhängig von der Frage, ob es in der „Ursuppe“ genügend ölartige „wasserhassende“ Moleküle gegeben hat. Auch hier beschreiben die Wissenschaftler eine ausgedehnte Literaturrecherche, der zufolge es eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt, dass solche Moleküle auf der frühen Erde vorhanden waren. Diese Schlussfolgerung wurde durch eine aktuelle Studie bekräftigt, die zeigt, dass Enceladus, einer der Saturnmonde, einen subglazialen Ozean (Urmeer) mit „wasserhassenden“ Verbindungen besitzt, von denen einige Tröpfchen von der Art der Lipidwelt bilden könnten. Prof. Lancet vertritt die Ansicht, dass diese Ergebnisse in Verbindung mit innovativen modellbasierten Berechnungen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Leben relativ hoch ist, und auch die spannende Möglichkeit besteht, dass Enceladus derzeit einige frühe lipidbasierte Lebensformen beherbergt.    

Seitenwechsel: Der Verrat eines Anti-Krebs-Gens

Es kommt nicht oft vor, dass Generäle mitten im Krieg die Seiten wechseln, aber wenn der Angriff von Krebs im Gange ist, kann das sogar dazu führen, dass ein Gen, das als wichtigster Verteidiger des Körpers fungiert, die Gefolgschaft wechselt. Wie kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) berichtet wurde, haben Forscher am Weizmann Institute of Science entdeckt, dass der Verrat dieses Gens auf mehr Arten erfolgen kann als bisher angenommen.

Alle Zellen tragen dieses Gen, bekannt als p53. Dieses Gen spielt normalerweise eine zentrale Rolle beim Schutz des Körpers vor Malignität, bei der Koordination der Zellabwehr gegen den Krebs und oft auch beim Abtöten einer potentiellen Krebszelle.  Bei etwa der Hälfte der Krebspatienten enthält das p53-Gen in den Krebszellen Veränderungen – Mutationen –, die zur Bildung eines p53-Proteins führen können, das nicht nur den Krebs nicht unterdrückt, sondern sogar krebsfördernde Aktivitäten auslösen kann.

Aber neben den Krebszellen enthält ein maligner Tumor eine Vielzahl von Nicht-Krebszellen und Bindegewebebestandteile, die allgemein als Tumormikroumgebung bezeichnet werden.  In der Frühphase der Krebsentstehung ist diese Mikroumgebung tumorfeindlich. Prof. Moshe Oren von der Abteilung Molekulare Zellbiologie und andere Wissenschaftler fanden in früheren Studien heraus, dass das p53 der Mikroumgebungszellen zu dieser Abwehr beiträgt und die Krebsausbreitung blockiert. „Diese Schutzmaßnahme dürfte oft gelingen, sonst würden die Menschen viel häufiger an Krebs erkranken, als sie es tatsächlich tun“, sagt Oren.

Während der Krebs fortschreitet und bösartiger wird, verändert sich die Mikroumgebung des Tumors allmählich. Wissenschaftler bezeichnen diesen Prozess als „Erziehung“: Die Mikroumgebung wird durch den fortschreitenden Tumor dazu benutzt, den Krebs zu fördern, anstatt ihn einzuschränken.

Zu den benutzten Zellen gehören die Fibroblasten, die das Gewebe mit strukturellem „Zement“ versorgen. Zunächst helfen diese, Immunzellen gegen den Krebs zu rekrutieren, aber jetzt setzen sie Substanzen frei, die das Tumorwachstum, das Eindringen und das Überleben fördern. In diesem Stadium werden diese Zellen als krebsassoziierte Fibroblasten bezeichnet.

Die neue Studie, die in Zusammenarbeit mit Kollegen des Weizmann Institute im Labor von Oren durchgeführt wurde, zeigt, dass die „Erziehung“ der Mikroumgebung – ein passenderer Begriff wäre wahrscheinlich „Gehirnwäsche“ – zum Teil auf das p53 der Fibroblasten ausgerichtet ist. Während der Krebs wächst, wechselt das p53 in den Fibroblasten die Seiten. Obwohl das p53 in den krebsassoziierten Fibroblasten keine Mutationen wie in den Krebszellen aufweist, wird es dennoch so verändert, dass es von der Einschränkung zur Unterstützung des Krebses wechselt.

In der Studie unter der Leitung von Dr. Sharath Chandra Arandkar, in Zusammenarbeit mit Prof. Benjamin Geiger und Prof. Yosef Yarden und Dr. Igor Ulitsky von der Abteilung Biologische Regulierung, zeigten die Forscher, dass die Entfernung des p53-Proteins aus krebsassoziierten Fibroblasten durch Abschalten ihrer p53-Gene dazu führte, dass diese Zellen viele ihrer tumorunterstützenden Eigenschaften verloren und sich eher wie normale Fibroblasten verhielten. Insbesondere die Abschaltung von Fibroblast p53 reduzierte die Migration benachbarter Krebszellen in einer Laborschale – eine entscheidende Veränderung, da die invasive Migration die metastatische Ausbreitung von Krebs erleichtert. Darüber hinaus hat die Abschaltung von p53 in krebsassoziierten Fibroblasten die Fähigkeit dieser Zellen, das Tumorwachstum bei Mäusen zu fördern, stark reduziert.

Studienautoren waren unter anderem Weizmanns Dr. Noa Furth, Dr. Yair Elisha und Dr. Nishanth Belugali Nataraj sowie vom Dr. Margarete Fischer-Bosch vomInstitut für Klinische Pharmakologie in Stuttgart, Deutschland: Prof. Walter Aulitzky und der verstorbene Dr. Heiko van der Kuip, dem diese Publikation gewidmet ist.

Wege zu finden, das abtrünnige p53 in der Tumormikroumgebung „umzuerziehen“ – um sein Verhalten wieder auf die Unterdrückung von Tumoren umzustellen – könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger Therapien ebnen, die auf die Mikroumgebung und nicht auf die Krebszellen selbst abzielen. In der Tat werden in den letzten Jahren zunehmend Strategien im Bereich der Krebsmikroumgebung erforscht. Die Hoffnung ist, dass sie ein neues Zeitfenster für eine wirksame Therapie eröffnen, da sich die Mikroumgebung tendenziell langsamer entwickelt als die mutierten Tumorzellen.

Die Forschung von Prof. Moshe Oren wird unterstützt durch das Moross Integrated Cancer Center, das er leitet; Rising Tide; den Comisaroff Family Trust; die Pearl Welinsky Merlo Foundation; den Scientific Progress Research Fund; die Dr. Miriam and Sheldon G. Adelson Medical Research Foundation; und den Joel and Mady Dukler Fund for Cancer Research. Prof. Oren ist der Inhaber des Andre-Lwoff-Lehrstuhls für Molekularbiologie.

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Yarden

Reaktion auf die Behandlung in Krebszellen: Das Vorhandensein der EGFR- (obere Reihe) und HER2- (untere Reihe) Rezeptoren wird reduziert, wenn die Zellen einer Dreifachtherapie ausgesetzt werden – Tagrisso, Erbitux und Herceptin (rechte Spalte) und den beiden Antikörpern Erbitux und Herceptin (zweite Spalte von rechts), aber nicht, wenn sie Tagrisso allein (zweite Spalte von links) oder gar keiner Therapie ausgesetzt sind (linke Spalte).

Lancet

Ein „Spaziergang“ im Kompositionsraum für eine Molekülgruppe der Lipidwelt, dargestellt in vereinfachten 3 Dimensionen. Ein Punkt auf der Linie kennzeichnet eine bestimmte Zusammensetzung entlang der Zeitachse, wobei die drei Koordinaten die Mengen der drei verschiedenen Molekültypen sind. Ein Komposom (rosafarbener Hintergrund) ist ein Zeitintervall, in dem die Zusammensetzung nahezu unverändert bleibt, was auf eine kompositorische Replikation hindeutet.

Oren

Die Effekte von p53 in krebsassoziierten Fibroblasten auf die Migration von Krebszellen: Krebszellen (Magenta) wandern in Richtung krebsassoziierter Fibroblasten (gelb), die ein nicht mutiertes p53-Gen exprimieren (links); diese Migration verlangsamt sich (Mitte), wenn das p53 in den Fibroblasten abgeschaltet wird; wenn Substanzen der krebsassoziierten Fibroblasten in die Laborschale gegeben werden, wird die Migration wieder aufgenommen (rechts).