Krebszellen sind nimbler als nicht-maligne Zellen

Hinweise darauf, wie Zellen krebsartig werden, werden in einem neuen Katalog ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften offenbart. Der Katalog zeigt unter anderem, wie maligne Zellen, die aus Tumoren ausbrechen und in andere Organe eindringen, flinker und aggressiver sind als nicht bösartige: Sie können leichter durch kleine Räume hindurchgehen und üben eine größere Kraft auf sie aus Umgebung.
Um den Katalog zusammenzustellen, haben sich 100 Forscher aus 20 verschiedenen Zentren in den USA zusammengetan, um die Physik und Chemie zu erforschen, die die Entwicklung von Krebszellen prägen, ein Prozess, der aus physikalisch-wissenschaftlicher Sicht etwas unklar ist.
Die Forscher, die zu den vom National Cancer Institute gesponserten Physikalisch-Wissenschaft-Onkologischen Zentren (PS-OC) gehören, hoffen, dass ihr Katalog die Früherkennung von Krebszellen unterstützt und sogar eines Tages metastasierendem Krebs vorbeugen oder diesen behandeln kann, nämlich Krebs hat sich ausgebreitet und neue Tumorstellen in anderen Teilen des Körpers, und das ist verantwortlich für die überwiegende Mehrheit aller Krebstodesfälle.
In einem Papier veröffentlicht am 26. April in der Zeitschrift Wissenschaftliche Berichtebeschreiben sie, wie sie einen systematischen molekularen und biophysikalischen Vergleich zwischen zwei Zelllinien, einer der metastasierten Brustkrebszellen und der anderen der nicht-malignen Brustzellen, durchführten, und wiesen wesentliche Unterschiede nach, die bösartig bis metastasierend.
Robert Austin, Professor für Physik und Leiter des PS-OC der Universität Princeton in New Jersey, sagt in einer Erklärung:
"Indem wir verschiedene Arten experimenteller Expertise zusammenbringen, um metastatische und nichtmetastatische Zellen systematisch zu vergleichen, haben wir unser Wissen darüber, wie Metastasen auftreten, weiterentwickelt."

Metastatische Zellen sind im Wesentlichen "Jailbreakers"

Zum Beispiel fanden sie heraus, dass die zwei Arten von Zellen Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zeigten, wie sie an Oberflächen haften, wie sie wandern, auf Sauerstoff reagieren und Protein produzieren.
Austin und das Team im Princeton PS-OC entdeckten, dass sie zwar langsamer reisen als nicht-bösartige Zellen, Metastasierende Zellen reisen weiter und gehen in eine geradere Linie.
Sie schufen eine Umgebung aus Silizium, die die Struktur von Gewebe im Körper simuliert und beobachtete, was passierte, als die Zellen ihren Weg durch winzige Zellen und Kanäle fanden, die im Silizium geätzt wurden.
Austin sagt metastatische Zellen "sind im Wesentlichen Jailbreaker", weil sie die extrazelluläre Matrix durchbrechen können, die zähe Membranwand, die der Körper erzeugt, um den Tumor von gesundem Gewebe abzudichten.
Princetons Physiker und Ingenieure verfügen über Know-how in der Mikrofabrikationstechnologie, die zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen und Solarzellen verwendet wird. Sie haben diese Expertise dazu genutzt, die winzigen Siliziumkammern in der Studie zu verwenden.
Das Princeton PS-OC umfasst auch Teams der School of Medicine der Johns Hopkins University, des Salk Institute for Biological Studies und der University of California-Santa Cruz.

Metastatische Zellen sind widerstandsfähiger gegenüber Sauerstoff und bilden Proteine, die sie mobiler machen

In ihrer Arbeit beschreiben die Forscher auch, wie sie gefunden haben metastatische Zellen erholen sich schneller von der Belastung einer sauerstoffarmen Umgebung als nicht-maligne Zellen, Bestätigung der Ergebnisse früherer Studien.
Viele metastasierende Zellen sterben ab, wenn die Sauerstoffversorgung gering ist, aber diejenigen, die überleben, prallen mit großer Kraft zurück, was die Ansicht bestätigt, dass einzelne Zellen eine wichtige Rolle bei der Ausbreitung von Krebs spielen.
Das Princeton PS-OC entdeckte auch bösartige Zellen machen Proteine, die sie mobiler machen und fähig, in die extrazelluläre Matrix einzudringen und den Tumor zu verlassen. Sie entdeckten dies, indem sie die Gesamtproteinproduktion mit der in metastatischen Zellen produzierten verglichen.

Messen, wie Zellen auf umgebende Zellen auf die Expression von Genen und Proteinen drücken

Im gesamten PS-OC-Netzwerk verwenden die Forscher die gleichen zwei epithelialen Brustzelllinien: nicht-tumorigene MCF-10A und metastatische MDA-MB-231, häufig verwendete Modelle für Krebsmetastasen. Sie verwenden auch die gleichen Reagenzien und Protokolle, damit die Ergebnisse verglichen werden können.
Ihre Labormethoden reichten von physikalischen Messungen, wie die Zellen auf umgebende Zellen drücken, bis hin zur Messung ihrer Gen- und Proteinexpression.

Nastaran Zahir Kuhn, Programm-Manager für das PS-OC am National Cancer Institute, sagt in einer Erklärung:
"Etwa 20 Techniken wurden verwendet, um die Zelllinien zu untersuchen und so eine Reihe von einzigartigen Beziehungen zwischen den Beobachtungen zu identifizieren."

Metastatische Zellen sind weicher und üben mehr Kraft auf ihre Umgebung aus

Zum Beispiel fanden die Forscher mithilfe einer Technik namens Atomkraftmikroskopie, dass metastatische Zellen weicher als nicht-bösartige Zellen zu sein scheinen, während ein anderer Ansatz, genannt Traktionskraftmikroskopie, anzeigte, dass sie mehr Kraft auf ihre Umgebung ausüben.
Diese beiden Eigenschaften geben wichtige Hinweise darüber, wie metastatische Zellen aus ihrem ummauerten Tumorgefängnis entkommen. Diese könnten ihnen beispielsweise dabei helfen, sich an der zähen extrazellulären Matrix, mit der der Körper den Tumor umgeben hat, festzuhalten, sie zu verändern und umzuformen. Gleichzeitig können sich aber auch weichere, metastasierende Zellen durch die kleinen Räume in der Membran quetschen.
Kuhn sagt, das Ziel des landesweiten PS-OC-Programms ist es, die Expertise von Physikern, Ingenieuren, Informatikern, Chemikern und Biologen zu bündeln, um Krebs besser zu verstehen und:
"Die Ergebnisse dieser Studie zeigen den Nutzen eines solchen Ansatzes, insbesondere wenn Studien von Anfang an standardisiert durchgeführt werden."
In einer weiteren faszinierenden Studie, die im Januar 2013 veröffentlicht wurde, legen Forscher, die die Interaktion zwischen Zellen und der extrazellulären Matrix erforschen, nahe, zu wissen, wie Zellen wissen, dass sie nicht auf dem Kopf stehen, auch Krebs bekämpfen können.
Geschrieben von Catharine Paddock