Nutzung des zellulären Kannibalismus zur Krebsbehandlung

Wissenschaftler haben fast 25 Jahre nach Bekanntwerden des Falles ein Rätsel um einen Mobilfunkmord gelöst. Die Verfolgung einer Spur von Beweisen von Fruchtfliegen über Mäuse bis hin zum Menschen ergab, dass kannibalische Zellen wahrscheinlich eine seltene menschliche Immunschwäche verursachen. Nun ist die Entdeckung vielversprechend für die Verbesserung einer künftigen Krebsbehandlung.

„Dieser Artikel führt uns von der grundlegenden Zellbiologie einer Fliege zur Erklärung einer menschlichen Krankheit und zur Nutzung dieses Wissens für eine Krebstherapie“, sagte Denise Montell von der UC Santa Barbara. „Jeder dieser Schritte fühlt sich wie eine große Entdeckung an, aber hier sind sie alle in einem Artikel.“

Forscher in Montells Labor veröffentlichten ihre Ergebnisse im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften und untersuchen nun die Mechanismen und Auswirkungen.

Ein uraltes Gen

Die Hauptfigur in dieser Geschichte ist ein Gen, Rac2und das Protein, das es kodiert. Rac2 ist einer von dreien Rac Gene beim Menschen. „Rac ist in der Evolution sehr alt, daher muss es eine grundlegende Funktion erfüllen“, sagte der leitende Autor Montell, Duggan-Professor und angesehener Professor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie.

Rac-Proteine ​​helfen beim Aufbau des Gerüsts einer Zelle, dem sogenannten Zytoskelett. Das Zytoskelett besteht aus dynamischen Filamenten, die es den Zellen ermöglichen, ihre Form beizubehalten oder sich je nach Bedarf zu verformen. Im Jahr 1996 stellte Montell bei der Untersuchung einer kleinen Gruppe von Zellen im Eierstock der Fruchtfliege fest, dass Rac-Proteine ​​maßgeblich an der Zellbewegung beteiligt sind. Seitdem ist klar geworden, dass Rac ein nahezu universeller Regulator der Zellmotilität in tierischen Zellen ist.

In den 90er Jahren bemerkte sie, dass eine hyperaktive Form des Rac1-Proteins, das nur in wenigen Zellen in der Eikammer einer Fliege exprimiert wurde, das gesamte Gewebe zerstörte. „Allein die Expression dieses aktiven Rac in sechs bis acht Zellen tötet das gesamte Gewebe ab, das aus etwa 900 Zellen besteht“, erklärte Hauptautorin Abhinava Mishra, Projektwissenschaftlerin in Montells Labor.

Warum ist das passiert? Wie funktioniert es? „Das war unser 25 Jahre alter kalter Fall“, sagte Montell.

Vor einigen Jahren mehrten sich die Hinweise darauf, dass Zellfressen, auch Kannibalismus genannt, zur Gewebezerstörung führt. Es gibt einen Schritt in der normalen Entwicklung von Fliegeneiern, bei dem bestimmte Zellen, die den Grenzzellen ähneln, ihre Nachbarn fressen, weil sie nicht mehr benötigt werden. Tatsächlich ist zellulärer Kannibalismus gar nicht so selten, wie man vielleicht vermuten würde: Jede Sekunde werden auf diese Weise Millionen alter roter Blutkörperchen aus dem menschlichen Körper ausgeschieden.

Rac2 ist eine Komponente des komplexen Essprozesses. Rac hilft der Fresszelle, ihr Ziel zu umhüllen. Das Team war neugierig, ob eine hyperaktive Form des Proteins dazu führte, dass Grenzzellen ihre Nachbarn vorzeitig verbrauchen.

Dazu müssen die Grenzzellen ihre Ziele erkennen, wofür ein bestimmter Rezeptor erforderlich ist. Als Mishra diesen Rezeptor blockierte, konsumierten die Grenzzellen, die aktiviertes Rac exprimierten, ihre Nachbarn nicht und die Eikammer blieb lebendig und gesund.

„Unser 25 Jahre alter Kaltfall wurde gelöst, und das war für uns sehr zufriedenstellend“, rief Montell aus. „Aber das ist ein eher Nischenbereich der Entwicklung von Drosophila-Eiern.“ Die Auswirkungen würden jedoch bald zunehmen.

Eine mysteriöse Immunerkrankung

Ungefähr zu der Zeit, als ihrem Labor der Durchbruch gelang, erfuhr Montell in der Zeitschrift von einer faszinierenden Studie Blut. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass drei nicht verwandte Personen, die an wiederkehrenden Infektionen litten, genau dieselbe Mutation hatten, die Rac2, ein in Blutzellen produziertes Rac-Protein, hyperaktiviert. Sie vermutete, dass die jüngste Entdeckung ihres Labors über Fruchtfliegen Licht in dieses Rätsel bringen könnte.

Die Mutation der Patienten war nur leicht aktivierend, reichte aber aus, dass sie alle an mehreren Infektionen litten und schließlich eine Knochenmarktransplantation benötigten. Blutuntersuchungen ergaben, dass diese Patienten fast keine T-Zellen hatten, eine spezielle Art weißer Blutkörperchen, die für das Immunsystem wichtig sind. Das Team der National Institutes of Health führte die Rac2-Mutation in Mäuse ein und stellte den gleichen mysteriösen Verlust von T-Zellen fest. Sie fanden auch heraus, dass sich die T-Zellen mit hyperaktivem Rac normal im Knochenmark der Tiere entwickelten und in die Thymusdrüse wanderten, wo sie ohne Zwischenfälle weiter reiften. Aber dann schienen sie einfach zu verschwinden. Die Arbeit endete also mit einem Rätsel: Was verursachte das Verschwinden der T-Zellen?

Den Autoren dieser Zeitschriftenstudie war aufgefallen, dass viele Neutrophile der Patienten – eine andere Art weißer Blutkörperchen – vergrößert waren. Sie schienen ziemlich viel Materielles und ungewöhnliches Verhalten bei einer ansonsten gesunden Person zu konsumieren.

Montell fragte sich, ob die T-Zellen der Patienten verschwanden, weil ihre angeborenen Immunzellen wie Neutrophile mit aktivem Rac2 sie fraßen, ähnlich wie die Randzellen der Fruchtfliege mit aktivem Rac die Eikammer fraßen. Ihr Team richtete seine Aufmerksamkeit zur Untersuchung auf Makrophagen – das gefräßigere Gegenstück des Neutrophilen. Mishra kultivierte menschliche Makrophagen mit und ohne hyperaktives Rac2 zusammen mit T-Zellen. Er beobachtete, dass Makrophagen mit hyperaktivem Rac mehr Zellen konsumierten, was die Hypothese der Gruppe aus ihrer Arbeit mit Fruchtfliegen bestätigte.

Um zu testen, ob dies die beobachtete Immunschwäche verursachen könnte, entnahm Co-Autorin Melanie Rodriguez (eine Doktorandin in Montells Labor) Knochenmarksproben von Mäusen mit derselben Hyperaktivität Rac2 Mutation bei den Patienten gefunden. Anschließend züchtete sie die Knochenmarksstammzellen zu Makrophagen und führte ein ähnliches Experiment wie Mishra durch, wobei sie dieses Mal jedoch sowohl Makrophagen als auch T-Zellen mit und ohne kombinierte Rac2 Mutation.

Sie fand heraus, dass Makrophagen mit aktivem Rac2 deutlich mehr T-Zellen konsumierten als ihre normalen Gegenstücke. Allerdings waren T-Zellen mit aktivem Rac2 auch anfälliger für den Verzehr durch beide Arten von Makrophagen. Die wahrscheinlichste Erklärung für das Fehlen von T-Zellen bei den Patienten war also eine Kombination aus erhöhtem Verbrauch durch Makrophagen und erhöhter Anfälligkeit der T-Zellen selbst. Ein menschliches medizinisches Rätsel wurde auf der Grundlage grundlegender Beobachtungen an Fruchtfliegen gelöst.

Durchgedrehte Zellen nutzen

Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse erweiterten sich im Januar 2020, als Co-Autorin Meghan Morrissey sich für eine Fakultätsstelle an der UCSB bewarb. In ihrem Vortrag beschrieb sie die Programmierung von Makrophagen zum Fressen von Krebszellen als neuartige Behandlung der Krankheit, einen Ansatz namens CAR-M. Morrissey hatte herausgefunden, dass die Zugabe eines CAR-Rezeptors zu Makrophagen dieses Verhalten förderte. Es war aber auch klar, dass der Ansatz effektiver sein würde, wenn man die Makrophagen dazu anregen würde, mehr zu fressen – insbesondere, wenn sie gezielt ganze Krebszellen verzehren und abtöten würden.

Nun, wenn Montell und ihr Labor eines gelernt hatten, dann war es, wie man Makrophagen dazu bringt, ganze, lebende Zellen zu fressen und zu töten. Deshalb arbeiteten sie mit Morrissey, heute Assistenzprofessor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie, zusammen, um herauszufinden, ob die Zugabe von aktiviertem Rac2 die Wirksamkeit des CAR-M-Ansatzes erhöhen würde.

Rodriguez züchtete Makrophagen aus dem Knochenmark normaler und mutierter Mäuse mit aktiviertem Rac2. In jeder dieser Gruppen exprimierte Morrissey entweder einen Dummy-Rezeptor oder den CAR-Rezeptor, der B-Zellen (eine andere Art weißer Blutkörperchen) erkennt. Sie fanden heraus, dass die normalen und hyperaktiven Rac-Zellen mit den Scheinrezeptoren nicht viele B-Zielzellen fraßen. Die normalen Makrophagen mit CAR-Rezeptoren verbrauchten weitaus mehr B-Zellen, wie Morrissey zuvor gezeigt hatte. Allerdings fraßen die Makrophagen mit sowohl hyperaktiven Rac- als auch CAR-Rezeptoren doppelt so viele B-Zellen wie die reine CAR-Gruppe. Aktiviertes Rac2 schien auch die Zahl der sogenannten „Superfresser“ zu erhöhen – gefräßige Makrophagen, die mehrere Krebszellen fressen und abtöten.

Die Ergebnisse machten deutlich, dass sowohl aktiviertes Rac als auch der Rezeptor für die verstärkte Wirkung notwendig waren. „Wenn man aktives Rac ohne den richtigen Rezeptor hinzufügt, bewirkt das nichts“, erklärte Montell.

Dieses Maß an Kontrolle ist eine gute Nachricht für alle möglichen Behandlungen, da es Ärzten die Möglichkeit geben würde, den Angriff der veränderten Makrophagen auf Krebszellen zu konzentrieren. Ärzte müssen sich hoffentlich auch keine Sorgen machen, dass die manipulierten Zellen die T-Zellen des Patienten fressen, da die T-Zellen nicht über die aktiven Zellen verfügen Rac2 Diese Mutation macht sie dafür anfälliger, wie Rodriguez zuvor herausgefunden hatte.

Es gibt eine aktuelle Krebsbehandlung namens CAR-T, die den CAR-Rezeptor und die eigenen T-Zellen eines Patienten nutzt, um Krebsarten anzugreifen und zu zerstören. Es ist gegen einige Krebsarten hochwirksam, aber es gibt viele, die nicht darauf ansprechen. CAR-M, ein neuerer Cousin von CAR-T, wurde kürzlich in klinische Studien am Menschen aufgenommen und scheint bisher sicher zu sein. Montell und ihre Gruppe sind daran interessiert, Rac-verstärkte CAR-Makrophagen zu nutzen, um die Wirksamkeit von CAR-M-Behandlungen zu erhöhen. Sie haben ein vorläufiges Patent für die Technik angemeldet – wie sie es nennen Wettrennen CAR-M – und laden Biotech-Unternehmen ein, bei der Weiterentwicklung des Ansatzes zusammenzuarbeiten.

Dieses neue, vielschichtige Papier wirft sowohl grundlegende wissenschaftliche als auch praktische Fragen auf, mit deren Bewältigung das Labor begonnen hat. Sie untersuchen, ob die im Labor so effektive Technik auch bei frisch gewonnenen menschlichen Immunzellen und in Tierkrebsmodellen, bei Mäusen und Zebrafischen, funktioniert. Das Team untersucht auch, wie Rac2 dies alles auf molekularer Ebene tief im Inneren der Zellen bewirkt.

Im weiteren Verlauf möchte Montell wissen, gegen wie viele Krebsarten die RaceCAR-M-Behandlung erfolgreich wirken könnte. Zum Vergleich: CAR-T war gegen Krebsarten wie Leukämie und Lymphome wirksam, nicht jedoch gegen solide Tumorkrebsarten wie Brust-, Lungen- oder Dickdarmkrebs.

Die Ergebnisse haben Montell, eine angesehene Zellbiologin mit weit über 100 Arbeiten, in Erstaunen versetzt. „Das ist bisher mein Lieblingspapier“, sagte sie.

„Wir hatten diesen 25 Jahre alten Erkältungsfall bei Fruchtfliegen und wir haben ihn gelöst“, fügte Montell hinzu. „Und das hat uns geholfen, das Rätsel einer ungeklärten menschlichen Immunschwäche zu lösen. Und dann haben wir dieses Wissen genutzt, um eine mögliche Krebsimmuntherapie zu verbessern.“

„Es war nur ein Mysterium nach dem anderen, und Rac erwies sich als die Antwort auf jedes davon.“