Krebs ist Evolution im Schnelldurchlauf

Prof. Anja Voss-Böhme von der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) und ihre Kollegen Thomas Buder, Andreas Deutsch und Barbara Klink untersuchen mithilfe evolutionärer Modelle, wann Krebs entsteht.

Der menschliche Körper besteht aus der unvorstellbaren Zahl von 100 Billionen Zellen. Durch negative Umwelteinflüsse wie ionisierender Strahlung, die beispielsweise beim medizinischen Röntgen entsteht, kann es zu Mutationen kommen. Der Körper kann diese meist selbst wieder in Ordnung bringen. Versagen diese Mechanismen aber, entstehen gut- oder bösartige Wucherungen (Tumore). Das fach- und hochschulübergreifende Forscherteam unter Beteiligung von Prof. Anja Voss-Böhme konnte nun zeigen, dass man diese Veränderungen durch ein relativ einfaches mathematisches Modell mit der Neubesetzung von Zellplätzen in verschiedenen Geweben in der frühen Phase der Krebsentstehung erklären kann.

Prof. Voss-Böhme erklärt dieses klassische Modell genauer: „Die ersten Mutationen sorgen nicht dafür, dass die Zelle aus ihrem Verband ausbricht. So entsteht noch kein Krebs, wenn rechtzeitig Reparaturmechanismen der Zelle einsetzen. Kommen aber weitere Krebszellen hinzu, wird die Zelle immer entarteter und fängt an, sich unkontrolliert zu teilen und zu wachsen.“ Die Wissenschaftler haben sich angeschaut, wie lange die gesunden Zellen die Oberhand behalten, indem sie ihre Nachfolger durch Zellteilung auf den Platz abgestorbener Krebszellen platzieren.

Durch die normalen Mutationen können sich gutartige Tumore entwickeln, die nur moderat wachsen und sich immer noch im Verband der Zellen befinden. Ab einer bestimmten Größe findet man diese im Körper und kann sie relativ leicht entfernen, um zu verhindern, dass bei zusätzlichen Mutationen ein bösartiger Tumor entstehen kann. Dieser fängt nämlich an, unkontrolliert zu wachsen und schließlich zu streuen. „Je größer der Zellverbund der gutartigen Tumorzellen ist, desto höher ist die Gefahr, dass eine dieser Zellen ‚kippt‘ und bösartig wird“, sagt die Forscherin. Es hängt vom Gewebe ab, wie schnell dieser Wechsel von gut- zu bösartig stattfindet. Im Darm beispielsweise hat man immer gutartige Vorstufen, bevor das Tumorgewebe bösartig wird, in der Leber ist das sehr selten.

In ihren Modellen konnte die Mathematikerin zeigen, dass die beiden Wege davon abhängen, wie stark die Zellen im Verbund in Konkurrenz stehen. Die Zellzahl bleibt in einem Gewebe ungefähr konstant und die Anzahl der jeweiligen Zellen bestimmt, welche Art – normale, gut- oder bösartige Zelle – den freigewordenen Platz übernehmen darf. Warum Zellen sterben, wurde bei diesem Modell nicht untersucht, gutartige und gesunde Zellen haben die gleichen Rechte bei der Belegung der Plätze. Bei einem bösartigen Tumor gilt dies nicht. Ist eine bösartige Zelle vorhanden, übernimmt sie schnell die Nische, da sie sich viel schneller teilen kann, alle regulatorischen Systeme außer Kraft setzt und ihre Sensibilität zu den Nachbarn gestört ist. Die Tumorzellen übernehmen bei einer kritischen Anzahl die Nische von Zellen ganz ähnlich der Evolution einer Art bei der Eroberung von neuem Lebensraum.

Setzt man die aus dem Modell errechneten Besetzungswahrscheinlichkeiten mit den gemessenen Häufigkeiten epidemiologischer Studien von gut- und bösartigen Tumoren ins Verhältnis, lässt sich schlussfolgern, wie viele Zellen in jedem Gewebe in Konkurrenz stehen. „Dabei zeigen sich erstaunlich kleine Zahlen von 20 bis 1.000 Zellen für die Krebsentstehung, die weit unter der Zahl von einer Million Zellen für die Nachweisbarkeit liegen“, stellt die Mathematikerin fest. Die Art des Tumors entscheidet sich daher weit vor der heutigen Nachweisbarkeit.

In der weiteren Forschung könnten jedoch Marker für die wenigen krebsauslösenden Zellen gefunden werden, im Darm beispielsweise bestimmte Stammzellen, um bösartige Tumore schneller und effektiver erkennen und bekämpfen zu können.

Text: Dr. Matthias Schöne

Foto: Amac Garbe

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