Zuletzt aktualisiert am 24. November 2022 um 16:41
Bildung von Metastasen mechanisch verhindern
Wenn eine unserer Zellen nicht mehr den normalen Wachstums- und Entwicklungsregeln folgt, sind wir in Schwierigkeiten. Die Zellmigration, der Transport von Zellen, ist ein wesentlicher Prozess, der während der Wundheilung und bei Geweberegeneration stattfindet. Eine abnormale Zellmigration wird bei verschiedenen Krankheiten beobachtet, einschließlich bei Metastasen von Krebs.
Fehlgesteuerte Zellen beginnen sich bei Krebs mit unaufhaltsamer Kraft zu teilen. Die verschiedenen Krebsarten stehen weltweit bei den häufigsten Todesursachen an zweiter Stelle. Dank Fortschritten bei der Diagnose und Behandlung ist Krebs heute kein automatisches Todesurteil mehr.
Im Kampf gegen den Krebs nutzen Forscher Wissen aus verschiedenen Disziplinen, von Genetik und Ökologie über maschinelles Lernen bis hin zu Physik. Krebszellen teilen sich nicht nur unkontrolliert, sie verändern auch die physikalische Struktur benachbarter Gewebe. Sie verwandeln ihre Umgebung in eine sogenannte Tumor-Mikroumgebung (TME). Durch die Veränderung der physikalischen Eigenschaften ihrer Umgebung fördern Krebszellen ihr eigenes Wachstum und ihre Ausbreitung.
Physikalisch gesehen gibt es vier wichtige Veränderungen in und in der Nähe eines Tumors. Sie ermöglichen es dem Krebs, besser zu wachsen, sich schneller auszubreiten und sich Behandlungen zu entziehen. Diese vier Veränderungen sind Widerstand gegen Belastungen, Flüssigkeitsdruck auf Schichten von Gewebe, Steifheit und Matrixarchitektur. Indem die Krebszellen diese Faktoren optimieren, können Tumore ihr Überleben sicherstellen. Sie erhalten dadurch viele Nährstoffe, wehren Immunzellen ab und bilden Transportwege, um in den Rest des Körpers zu gelangen.
Ein großer Teil dieser Tumor-Mikroumgebung ist die extrazelluläre Matrix, der Raum zwischen einzelnen Zellen. Körperzellen schweben nicht frei herum. Stattdessen sind viele unserer Zellen in ein 3D-Gerüst aus unterstützenden Molekülen wie Kollagen und Glykoproteinen eingebettet.
Die im Wissenschaftsportal ACS Publications veröffentlichte Studie japanischer Wissenschaftler zeigt, dass die Kontrolle der extrazellulären Matrix zu neuen Krebsbehandlungen führen könnte. Wenn die Zusammensetzung und Faserdichte dieser Matrix gezielt gesteuert wird, könnte man damit wandernde Tumorzellen einfangen.
Die Forscher verwendeten in ihren Versuchen menschliche Glioblastom-Astrozytom-Zellen. Das ist ein aggressiver Gehirntumor, der sich normalerweise schnell ausbreitet. Für die Experimente bauten sie eine Struktur von Kollagenfasern auf, die der extrazellulären Matrix im menschlichen Körper ähnelt.
Durch Elektrospinnen dieser Fasern im Labor ist es möglich, ihre Ausrichtung und Dichte kontrollieren. Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass sich Tumorzellen in dichteren Nanofaserschichten nur sehr langsam bewegen können. Diese dichteren Matrizen förderten die Bildung von fokalen Adhäsionen.
Das sind verankernde Zellverbindungen, auch Fokalkontakte genannt, die das Cytoskelett einer Zelle mechanisch an das Substrat koppeln.
Die Forscher fanden auch heraus, dass sie durch die Veränderung der Faserdichte in verschiedenen Zonen die Tumorzellen steuern können. Eine geringe Dichte erlaubt es, die Fortbewegung zu leiten. Eine hohe Faserdichte ermöglicht es, die Krebszellen einzufangen.
Bei der Studie handelt es sich um ein Proof-of-Concept in Petrischalen, die weitere Studien bestätigen müssen. Das Verständnis der Mechanismen der Invasion und Penetration von Tumorzellen ist von größter Bedeutung, um die Ausbreitung von Krebs zu untersuchen.
Der nächste Schritt der Forschung ist die Erstellung von 3D-Mikroumgebungsmodellen mit Fasergerüsten, die physiologische Bedingungen von Krebsmetastasen genau nachahmen.
Die bei der Studie verwendeten Nanofasern sind sowohl biokompatibel als auch biologisch abbaubar. Obwohl ihre Verwendung in lebenden Organismen noch kaum mehr als eine Idee ist, kommen die Autoren zu dem Schluss: „Unsere Studie liefert wichtige Erkenntnisse, die die Entwicklung zukünftiger Strategien zur Nachahmung der Tumor-Mikroumgebung unterstützen können, die wiederum die Entwicklung therapeutischer Lösungen ermöglichen können.“
Quelle:
Wan-Ying Huang, Shin-Ichiro Suye, Satoshi Fujita. Cell Trapping via Migratory Inhibition within Density-Tuned Electrospun Nanofibers. ACS Appl. Bio Mater. 2021, 4, 10, 7456–7466, Publication Date September 3, 2021. https://doi.org/10.1021/acsabm.1c00700 (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.1c00700#)
