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StartseiteForschung aktuellDie Physik der Krebszellen17.10.2011

Die Physik der Krebszellen

Forscher stellen neues Modell zur Tumorbildung vor

Medizin.- Warum eine Zelle zur Tumorzelle wird, wurde bisher vor allem auf molekularer Ebene erforscht. Ein neuer Ansatz, die Physik der Zelle zu verstehen, wurde nun auf der internationalen Tagung "Physics of Cancer" in Leipzig diskutiert.

Von Anna-Lena Dohrmann

Abbildung einer Tumorzelle.  (Universität Münster)
Abbildung einer Tumorzelle. (Universität Münster)
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So unterschiedlich Krebsformen sein können, bestimmte Merkmale haben sie gemeinsam. Krebszellen teilen sich sehr schnell. Das können sie am besten, wenn sie weich sind. Im Verband bilden sie dann aber eine relativ harte Masse, um gegen das angrenzende Gewebe zu drücken. Und schließlich gelingt es einigen Zellen, sich von dieser Masse zu lösen und sich woanders im Körper anzusiedeln – also sogenannte Metastasen zu bilden. In jedem Tumorstadium sind bestimmte mechanische Eigenschaften charakteristisch. Professor Josef Käs, Biophysiker der Universität Leipzig, misst diese Eigenschaften mithilfe einer Miniatur-Streckbank für Zellen, dem sogenannten Optical Stretcher.

"Der Optical Stretcher besteht aus zwei Laserstrahlen, die auf die Zelle schießen. Durch diese Laserstrahlen, die durch die Zelle durchgehen, wird die Zelle auseinandergedehnt. Das heißt, wir wissen genau, wie stark wir an der Zelle ziehen und damit wissen wir sozusagen per Zugkraft, wie weich die Zelle ist."

Und stark vereinfacht gilt: Je weicher eine Tumorzelle ist, desto aggressiver ist sie. Doch Käs machte eine interessante Beobachtung: Einige Zellen lassen sich gar nicht auseinanderziehen.

"Nun leben aber Zellen. Das heißt: Es sei ihnen auch belassen, wenn man an ihnen zieht, sich zu wehren und sich zusammenzuziehen. Diese Eigenschaft scheint besonders markant zu sein bei Krebszellen im höheren Stadium. Also wenn sie zu metastasieren beginnen, scheint Kontraktilität ein ganz wichtiges Kriterium zu sein."

Kontraktilität ist die Fähigkeit von Organen und Geweben, sich aktiv zusammenzuziehen. Diese Eigenschaft könnte für Krebszellen folgenden Vorteil haben: Wenn sich die Zelle zusammenzieht, wird sie kleiner. Die Oberflächenspannung nimmt also ab. Dadurch fällt es der Zelle leichter, sich von den umliegenden Zellen zu lösen und sich durch das Gewebe zu quetschen.

Seit 2003 arbeitet Josef Käs an dem Optical Stretcher. Mittlerweile wird das Gerät zu Forschungszwecken eingesetzt. Erste Ergebnisse sind nach seiner Ansicht vielversprechend:

"Wir haben also eine erste Studie, klinische Studie am Brustkrebs ausgeführt und das sieht sehr gut aus. Die Hypothesen, die wir zeigen wollten – nämlich: Krebszellen werden weicher und werden kontinuierlich mit Aggressivität weicher, das lässt sich zeigen und wir haben darüber hinaus noch gefunden, dass eben metastatische Zellen stark kontraktil sind. Also wir haben eigentlich unsere ersten Hypothesen, dass die Biomechanik eine Rolle spielt und auch als Marker verwendet werden kann, gezeigt."

Und der Optical Stretcher ist nicht die einzige Möglichkeit, biomechanische Eigenschaften einer Zelle zu messen. Professor Ueli Aebi, Biophysiker am Biozentrum der Universität Basel, untersucht die Krebszellen mithilfe eines Rasterkraftmikroskops. Das funktioniert folgendermaßen:

"Sie haben einen Biegebalken, der ist an einem Ende festgemacht und am anderen Ende haben sie eine Spitze. Und jetzt fahren Sie, rasten Sie, einfach diese Spitze über die Oberfläche Ihres Präparates und Sie messen die Auslenkungen in der dritten Dimension. Wenn ein Berg kommt, muss der Biegebalken wieder nach oben gebogen werden und wenn Sie ins Tal gehen, geht er nach unten."

Um herauszufinden, wie weich oder hart eine Zelle ist, wird die Spitze Punkt für Punkt ins Gewebe eingedrückt. Der Vorteil des Rasterkraftmikroskops gegenüber dem Optical Stretcher ist: Es untersucht nicht nur die einzelne Zelle, sondern den Zellverband. So hat Aebi herausgefunden, dass Zellen im Zentrum eines Tumors weicher sind als am Rand.

"Je größer dieser Gradient ist, das heißt je größer der Unterschied der Steifigkeit außen gegen innen, je aggressiver ist der Tumor im Allgemeinen."

Das Rasterkraftmikroskop kann allerdings keine kontraktilen Zellen aufspüren. Es beurteilt einen Tumor nur darüber, wie gut sich die Zellen passiv zusammendrücken lassen.

Langfristig möchte Käs die Biomechanik nicht nur als Marker nutzen. Schließlich bietet sie auch neue Therapieansätze.

"Das erste Ziel wäre sozusagen: Wenn biomechanische Eigenschaften wichtig sind, ich dreh sie um. Also wenn eine Zelle sozusagen schneller sich teilen kann, wenn sie weich ist, dann mach ich sie härter. Wenn eine Zelle nur aus dem Tumor rauskrabbeln kann, wenn sie kontraktil ist, dann stelle ich die Kontraktilität ab. Und da gibt es natürlich auch sogar molekulare Targets, die man sich vorstellen kann, die man da blockiert."

Zum Beispiel Myosin, ein Protein, das ausschlaggebend ist für die Kontraktilität einer Zelle. Dieses Protein gibt es in sehr vielen verschiedenen Formen. So ist das Muskelmyosin aus Muskelzellen bereits gut bekannt. Da Krebszellen jedoch ein anderes Myosin bilden, wäre es denkbar, dieses zu blockieren ohne den Muskel zu schädigen.

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