Krebszellen nehmen zur besseren Metastasenbildung bislang unbekannten Zustand an

Neue Einsichten in die Tumorbiologie

05.10.2022 - Deutschland

Schon die alten Ägypter beschrieben im Papyrus Ebers - ihrem Handbuch zur Heilkunde - dass das Fühlen nach verhärteten Knoten in der Brust zur Brustkrebsdiagnose dienen kann. Dies ist auch heute noch ein wichtiges Element der Frühdiagnose von Brustkrebs. Auf der anderen Seite zeigen Messungen an einzelnen Krebszellen, dass diese weicher sind als die gesunden Epithelzellen, aus denen sie hervorgegangen sind und somit wahrscheinlich besser im dichten menschliche Gewebe metastieren können. Diesem scheinbaren Paradox ist eine internationale Kooperation von Forschenden unter der Leitung der Abteilung für die Physik der weichen Materie der Universität Leipzig auf dem Grund gegangen.

Sie fanden heraus, dass Krebszellen einen bislang unbekannten mechanischen Zustand annehmen. Ihre Erkenntnisse haben die Wissenschaftler:innen nun im Journal Nature Physics veröffentlicht.

Zur Bildung von Metastasen in gesundem Gewebe muss ein Tumor das umgebende Gewebe verdrängen. Dazu muss er einen mechanisch stabilen Widerstand erzeugen, um sich Raum zu verschaffen. Andererseits ist eine große Verformbarkeit einzelner Krebszellen vorteilhaft, um aus dem primären Tumor invasiv in anderes Gewebe einzudringen. Diese gegensätzlichen Ansprüche werden in bösartigen Tumoren erfüllt, indem die Krebszellen mechanisch heterogener und weicher werden. Sie nehmen dann einen bisher unbekannten, neuen Materialzustand an, der die Vorteile von Festkörpern und Flüssigkeiten vereint. „Patientenproben von Brust- und Gebärmutterhalstumoren zeigen ein größeres Spektrum an mechanischen Eigenschaften, durch die sich die Krebszellen in Richtung weicherer Zellen verschieben, obwohl der gesamte Tumor eine feste Masse bleibt“, erklärt Physiker Dr. Thomas Fuhs von der Universität Leipzig.

Motiviert durch Computersimulationen, fanden die Forschenden in Krebszellclustern kleine Inseln von steifen, unbeweglichen Zellen, die umgeben waren von einer Mehrzahl an beweglichen, weichen Zellen. Dabei können sich die weichen Zellen fast so frei wie eine Flüssigkeit bewegen. Die steifen Zellen blockieren sich gegenseitig in ihrer Bewegung, ähnlich wie Kaffeebohnen in einem Trichter, sie „jammen“ (verklemmen) sich gegenseitig. Die Krebszellcluster in einem Tumor bilden einen neuen Materialzustand. Dabei reichen nur wenige feste Inseln aus harten Zellen in einer flüssigen Umgebung aus weichen Zellen aus, dass sich das Gewebe trotz einer Majorität von beweglichen, weichen Krebszellen nicht mehr flüssig, sondern als mechanisch stabiler Festkörper verhält. Die Inseln von harten Zellen sind über mechanische Spannungsbrücken aus weichen Zellen verbunden. Dieser Zustand stabilisiert das Gewebe hinreichend, um Tumorwachstum zu erlauben. Gleichzeitig bietet es viel Raum für weiche, bewegliche Zellen, die aus dem Tumor ausbrechen können, um Metastasen zu bilden.

„Das Paradox, das bei Brusttumoren aus Zellen, die weicher werden, ein Gebilde entsteht, das härter ist als das ursprüngliche Gewebe, ist also nur ein scheinbarer Widerspruch. Dieser Effekt wird noch verstärkt, da hier hauptsächlich sehr weiche Fettzellen in der gesunden Brust mit Zellen verglichen werden, die zwar weicher sind als gesunde Epithelzellen, aber immer noch deutlich härter als Fettzellen“, sagt Prof. Dr. Josef Alfons Käs von der Universität Leipzig. Bei anderen Karzinomen, zum Beispiel Cervixkarzinomen, gibt es keinen Unterschied zwischen der makroskopischen Steifheit des gesunden und des Tumorgewebes. Aber auch in diesen Karzinomen findet sich eine breitere Verteilung der Elastizität der einzelnen Krebszellen, die zu dem neuen mechanischen Zustand führen. Dieser erlaubt es, dass ein mechanischer stabiler Tumor einen hohen Grad an beweglichen, metastatisch kompetenten Zellen enthalten kann. Die Forschenden vermuten, dass dies auf alle soliden Tumore und somit auf 92 Prozent aller Krebspatient:innen zutrifft.

„Die Ergebnisse der Studie liefern essentielle neue Einsichten in die Tumorbiologie oder - genauer gesagt - in die metastatische Kaskade. Die neuen Einsichten in die Mechanik der Krebszellen und des Tumorgewebes demonstrieren, dass die Physics of Cancer ein wichtiges Element ist, um das Voranschreiten eines Tumors zu verstehen“, erläutert Fuhs. Ob die Zellen in einem Tumor komplett verklemmt bleiben wie in gesundem Gewebe oder sich lösen können durch weicher werdende Krebszellen könne entscheiden, ob ein Tumor metastiert.