Ein wissenschaftliches Instrument am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums könnte dazu beitragen, eine nicht-invasive Krebsbehandlung zu entwickeln, die aus einer gewöhnlichen tropischen Pflanze gewonnen wird.
Pancratistatin ist eine chemische Verbindung, die in der Spinnenlilie, einer einheimischen hawaiianischen Blume, vorkommt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Behandlungen tötet es Krebszellen ab, während gesunde Zellen intakt bleiben.
Bis vor kurzem haben die Wirkungen von Pancratistatin Wissenschaftler verwirrt und die Hoffnung auf potenzielle neue Behandlungen getrübt. Aber nach der Durchführung von Neutronenexperimenten am ORNL haben Studenten der University of Windsor grundlegende Einblicke in die Mechanik von Pancratistatin gewonnen, die neue Türen für stark verbesserte Krebsbehandlungen öffnen könnten.
„Indem wir hier im Labor mit Zellextrakten experimentieren, bauen wir auf früheren Arbeiten auf, um ein detaillierteres Bild für Pancratistatin zu erhalten“, sagte Stuart Castillo, der Doktorand von UWindsor, der die Studie leitete. „Unsere Hoffnung ist es, einen neuen Weg zur Behandlung von Krebs zu schaffen, der gesunde Zellen nicht schädigt.“
Die Spallations-Neutronenquelle des ORNL bietet eine von nur einer Handvoll Neutronen-Beamlines auf der Welt, die in der Lage ist, die Art von Messungen durchzuführen, die für die Studie benötigt werden. Das Neutron-Spin-Echo-Instrument ermöglichte es den Studenten, gleichzeitig die Zelldynamik in Ångström und Mikrosekunden zu messen. Ein Angström entspricht einem Zehnmilliardstel Meter. Eine Mikrosekunde entspricht einer millionstel Sekunde.
Krebsartige Tumore beginnen mit einer Überwucherung von Zellen, einem Prozess, der in den Mitochondrien beginnt, den Teilen einer Zelle, die Energie produzieren. Theoretisch erhalten Krebszellen einen Zustrom von Cholesterin, das die Zellwände oder Membranen der Mitochondrien versteift und ihre Kommunikation mit anderen Teilen der Zelle stoppt. Dann werden die Mitochondrien abtrünnig, was zu einer Übervermehrung der Zellen führt.
Ein Schritt zurück, ein Sprung nach vorne
Vor Jahrzehnten verwendeten Wissenschaftler lebende Zellen, um die Wirkung von Pancratistatin auf Krebs zu entdecken. In diesen frühen Experimenten löste Pancratistatin erfolgreich die Apoptose oder den Zelltod in Hoden-, Brust-, Leber-, Bauchspeicheldrüsen- und Nervenzellen aus. Seitdem beschränkte sich die Forschung auf Experimente an synthetischen Membranen, bis mehr über dieses natürliche Heilmittel verstanden werden konnte. Das Experimentieren mit synthetischem Material ermöglicht es Forschern, ihr Verständnis spezifischer Veränderungen ohne die Variablen aufzubauen, die mit lebenden Systemen einhergehen.
„Was wir über die Arbeit mit synthetischen Membranen sagen, ist, dass sie niemals zu 100 % repräsentativ für eine Zelle sind und niemals sein werden. Die wissenschaftliche Gemeinschaft als Ganzes möchte schließlich von diesem grundlegenden synthetischen Modell zu einem realistischeren Zellmodell übergehen“, sagte der Absolvent von UWindsor Forscher Maksymilian Dziura. „Wir wollen lebende Zellen verwenden, um Zellen zu verstehen, aber es ist nicht einfach, dorthin zu gelangen. Wir müssen das Bild vollständig verstehen, bevor wir langsam zur Verwendung realistischerer Systeme übergehen können.“
SNS und seine Schwesteranlage, der High Flux Isotope Reactor, stellen wesentliche Werkzeuge bereit, um Forschern bei der Beobachtung und Messung von Materialien auf atomarer Ebene zu helfen. Neutronen eignen sich besonders zur Untersuchung biologischer Membranen, da Neutronen empfindliche biologische Materialien durchdringen können, ohne sie zu beschädigen. Bevor sie zum ORNL kamen, zeigten die Studenten, dass Pancratistatin synthetische mitochondriale Membranen auf eine Weise versteifte, die Apoptose auslöste, was die Grundlage für die Arbeit mit Zellen bildete.
Die Studenten verwendeten das Neutron-Spin-Echo-Spektrometer von SNS, um zu vergleichen, wie Pancratistatin die inneren und äußeren Schichten der Mitochondrienmembranen in krebsartigen und nicht krebsartigen Zellen beeinflusst.
„Wir schauen uns speziell an, wie steif die Membran ist, wie dick sie ist und wie sich diese Moleküle nebeneinander verhalten“, sagte UWindsor-Doktorand Dominik Dziura. „Der Gedanke ist, dass eine gesunde Membran flexibel ist und sich so bewegt, wie sie soll, sich an andere Rezeptoren und Membranen bindet und die Kommunikation zwischen Zellen ermöglicht, im Gegensatz zu krebsartigen Membranen.“
„Es gibt so viel, was wir über Krebs nicht wissen“, sagte die UWindsor-Forscherin Isabelle Dib. „Und wir haben uns die Unterschiede zwischen krebsartigen und nicht krebsartigen Zellmembranen nicht wirklich angesehen. Dies ist ein neuer Ansatz.“
Das Team nutzte auch Labore am Shull Wollan Center und am Center for Nanophase Materials Sciences des ORNL, um seine Proben zu entwickeln und vorzubereiten.