Neuartige Kombination von Antikörpern führt zu deutlicher Verbesserung bei Krebs-Immuntherapie

Medienmitteilung der Universität Basel vom 30.12.2019

Der gleichzeitige Einsatz von Antikörpern, die auf zwei verschiedenen Wirkungsmechanismen beruhen, führt zu einer effektiveren Zerstörung von Tumoren. Dies zeigt eine im Fachjournal «PNAS» veröffentlichte Studie von medizinischen Onkologen und Wissenschaftlern der Universität Basel an Tiermodellen. Davon profitieren könnten vor allem Patientinnen und Patienten mit Tumoren, die nicht auf die bereits verfügbaren Immuntherapie-Behandlungen ansprechen.

In den letzten Jahren haben Immuntherapien gegen Krebs grosse Hoffnungen geweckt. Diese neuartigen Therapien rekrutieren das körpereigene Immunsystem zur Zerstörung des Krebsgewebes. Einen vielversprechenden Effekt in vorklinischen Studien zeigte ein Antikörper, der den CD40-Rezeptor auf der Oberfläche von Immunzellen aktiviert und so die Produktion von natürlichen T-Killerzellen ankurbelt.

Doch in den darauffolgenden klinischen Studien blieb der Erfolg des CD40-Antikörpers weit hinter den Erwartungen zurück – weniger als 20% der Patienten sprachen darauf an. Die Forschungsgruppe Cancer Immunology der Universität Basel zeigte jetzt im Tiermodell, dass sich die Wirkung des Anti-CD40-Antikörpers durch die Kombination mit zwei weiteren Antikörpern, die an den Blutgefässen des Tumors ansetzen, erheblich erhöhen lässt.

Den Weg ins Innere des Tumors öffnen

Ausgangspunkt für die Studie war die Beobachtung, dass die Gabe von Anti-CD40-Antikörpern zwar wie vorgesehen zu einer Vermehrung von T-Killerzellen führt – doch diese lassen sich dann nur in den Randbereichen und nicht im Inneren des Tumors nachweisen. Die Forschenden vermuteten, dass der Grund dafür in der Beschaffenheit der Blutgefässe des Tumors liegt.

«Normalerweise sind die Blutgefässe eines Tumors nicht dicht oder sie sind verkümmert. Deshalb gibt es für die T-Killerzellen keinen guten Weg ins Innere», sagt Studienleiter Dr. Abhishek Kashyap. «Unsere Hypothese war: Nur wenn es genug gesunde Blutgefässe gibt, können die T-Killerzellen in den Tumor eindringen und ihn zerstören.»

Deshalb kombinierten sie den Anti-CD40-Antikörper mit zwei weiteren, sogenannten anti-angiogenetischen Antikörpern, welche die Blutgefässe von Tumoren stabilisieren können. Einer der verwendeten anti-angiogenetischen Antikörper ist unter dem Namen Avastin schon für die Krebs-Therapie zugelassen, der andere befindet sich noch in der klinischen Entwicklung. Alle Antikörper wurden von der Firma Roche zur Verfügung gestellt.

Neue Kombination zerstört Tumorgewebe

Diese neue Kombination von Antikörpern testeten die Forschenden dann in mehreren Tiermodellen für verschiedene Krebsarten wie Darm-, Brust- oder Hautkrebs. Wie erwartet sorgte die Kombination der drei Antikörper bei allen Krebsarten für eine signifikante Verbesserung bei der Zerstörung des Tumorgewebes.

Eine genauere Analyse zeigte zudem, dass dieser Erfolg auf dem vorhergesagten Mechanismus beruhte: Durch die Zugabe der beiden anti-angiogenetischen Antikörper verfügten die Tumoren über mehr intakte Blutgefässe. Überraschenderweise zeigten die Untersuchungen aber auch, dass die Antikörper-Kombination das Immunsystem auf vielfältige Weise sehr effektiv stärkt – etwa durch die Aktivierung von Genen, die Produktion von Zytokinen, eine bessere Durchdringung des Tumors mit Killerzellen und durch die Förderung einer tumorfeindlichen Entzündungsreaktion in der Umgebung des Tumors.

«Unser Ergebnis zeigt, wie wichtig es ist, die Biologie von Tumoren zu verstehen», sagt Kashyap. Er glaubt, dass vor allem Patientinnen und Patienten mit ‹kalten› Tumoren – also Tumoren, die nicht gut auf eine Immuntherapie ansprechen – von dieser neuen Kombination profitieren könnten. «Durch die anti-angiogenetischen Antikörper können wir die ‹kalten› Tumoren möglicherweise ‹heiss› machen, sodass die Immuntherapie besser funktioniert.» Mittlerweile gibt es auch schon einige frühe klinische Studien, die vergleichbare Therapien im Menschen testen.

Zusammenarbeit stärkt Resultate

Nach Ansicht von Kashyap besteht die Stärke der Studie nicht nur in den grossen gemessenen Effekten, sondern auch in der Tatsache, dass mehrere verschiedene Labors die gleichen Ergebnisse erzielten: Die Experimente wurden am Universitätsspital Basel, an der EPFL und im Roche Innovation Center Zürich durchgeführt.

Dies bestätigt auch Prof. Alfred Zippelius, Professor für Translationale Onkologie an der Universität Basel und Letztautor der Studie: «Das Innovations- und Umsetzungspotenzial dieser Arbeit ist das Ergebnis einer engen und exzellenten Zusammenarbeit zwischen angewandter und Grundlagenforschung, zwischen Universität Basel und EPFL und schliesslich zwischen Wissenschaft und Industrie.»

Originalpublikation:
Abhishek S. Kashyap, Martina Schmittnaegel, Nicolò Rigamonti, Daniela Pais-Ferreira, Philipp Mueller, Melanie Buchi, Chia-Huey Ooi, Matthias Kreuzaler, Petra Hirschmann, Alan Guichard, Natascha Rieder, Ruben Bill, Frank Herting, Yvonne Kienast, Stefan Dirnhofer, Christian Klein, Sabine Hoves, Carola H. Ries, Emily Corse, Michele De Palma, Alfred Zippelius
Optimized anti-angiogenic reprogramming of the tumor microenvironment potentiates CD immunotherapy
PNAS (2019), doi: 10.1073/pnas.1902145116

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Magnesiummangel stoppt Wachstum von Krankheitserregern

Medienmitteilung der Universität Basel vom 21.11.2019

Dringen Krankheitserreger in die Körperzellen ein, bekämpft unser Körper sie mit verschiedenen Methoden. Eine Forschungsgruppe am Biozentrum der Universität Basel hat nun erstmals zeigen können, wie eine Pumpe in den Zellen die eingedrungenen Erreger in Schach hält. Wie die Forscher in «Science» berichten, erzeugt diese einen Magnesiummangel und hemmt dadurch das Bakterienwachstum.

Wenn Krankheitserreger einen Organismus befallen, ruft das sofort das Immunsystem auf den Plan, welches die Bakterien bekämpft. Um den patrouillierenden Abwehrzellen zu entkommen, nisten sich einige Bakterien in den Zellen des Wirts ein. Der Wirt hat jedoch Strategien entwickelt, um die im Zellinneren versteckten Keime in Schach zu halten.

Wie Olivier Cunrath und Prof. Dirk Bumann am Biozentrum der Universität Basel nun herausgefunden haben, ist Magnesium entscheidend für das Bakterienwachstum im Zellinneren. Magnesiummangel bedeutet Stress für die Bakterien. Die Erreger hören auf zu wachsen und sich zu vermehren. Die Wirtszelle erzeugt diesen Magnesiummangel durch ein Transportprotein, kurz NRAMP1.

Wirtsprotein legt Krankheitserreger lahm

Die Forscher haben in ihrer Studie Salmonellen untersucht, die unter anderem Magen-Darm-Grippe und Typhus verursachen. Sie nisten sich in kleinen Einschlüssen in den Fresszellen des Immunsystems, den sogenannten Makrophagen, ein. Ob und wie schnell sich die Salmonellen in den Einschlüssen vermehren und sich schliesslich weiterverbreiten, hängt stark von der Funktionstüchtigkeit des NRAMP1-Transporters ab.

«Man weiss schon seit langem, dass NRAMP1 mit der Widerstandsfähigkeit gegen Infektionen in Verbindung steht. Doch das Wie und Warum, waren nie ganz klar», sagt Bumann. «Wir waren sehr von der Tatsache überrascht, dass dieses Transportprotein Magnesiumionen aus den Zelleinschlüssen herauspumpt und die Salmonellen so ruhigstellt. Das ist ein ganz neuer, unerwarteter Mechanismus.»

Magnesium ist Achillesferse für Bakterien

Magnesium ist ein zentraler Bestandteil vieler Stoffwechselenzyme, daher schrauben die Bakterien bei einem Mangel ihren Stoffwechsel herunter und verlangsamen ihr Wachstum. «Magnesium ist für intrazelluläre Erreger die Achillesferse. Je weniger davon vorhanden ist, desto mehr lechzen sie danach. Die Bakterien geraten in Alarmbereitschaft und aktivieren ihrerseits alle Aufnahmesysteme für Magnesium. Trotzdem schaffen sie es nicht, genug davon zu bekommen», so Erstautor Cunrath. «Ist die Pumpe in den Wirtszellen hingegen defekt, haben die Salmonellen genügend Magnesium, um schnell zu wachsen.»

Transporter beeinflusst Widerstandskraft des Wirtes

Die Funktionstüchtigkeit von NRAMP1 spiegelt sich in der Anfälligkeit für Infektionen wider. Tiere und Menschen, die nur wenig NRAMP1 bilden, sind empfindlicher gegenüber verschiedenen intrazellulären Erregern. Fehlt dieser Transporter völlig, verläuft die Infektion bereits bei einer sehr geringen Erregerzahl tödlich.

Infektionen sind immer ein Wettkampf auf Zeit zwischen Wirt und Erregern. Mit neuen Medikamenten, die den Magnesiumhaushalt der Bakterien zusätzlich stören, könnte man die Erreger noch stärker ausbremsen und damit dem Wirt einen entscheidenden Vorteil verschaffen, um die Infektion zu besiegen.

Originalpublikation:
Olivier Cunrath and Dirk Bumann
Host resistance factor SLC11A1 restricts Salmonella growth through magnesium deprivation
Science (2019), doi: 10.1126/science.aax7898

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Bioprinting: Lebende Zellen im 3D-Drucker

Presseaussendung der TU Wien vom 21.10.2019

Mit einem neuen Verfahren der TU Wien lassen sich lebende Zellen in feine Strukturen aus dem 3D-Drucker einbauen – extrem schnell und hochausflösend.

Wie sich Zellen verhalten und wie neues Gewebe entsteht, lässt sich besonders gut steuern und untersuchen, wenn man die Zellen in ein feines Gerüst einbettet. Das gelingt mit Hilfe von „Bioprinting“ – darunter versteht man spezielle additive 3D-Druckverfahren. Dabei stößt man allerdings auf eine Reihe von Herausforderungen: Manche Verfahren sind sehr unpräzise oder erlauben nur ein sehr enges Zeitfenster, in dem die Zellen verarbeitet werden können, ohne dass sie Schaden nehmen. Außerdem müssen die verwendeten Materialien während und auch nach dem 3D-Biopriting Prozess zellfreundlich sein – das schränkt die Auswahl möglicher Materialien empfindlich ein.

An der TU Wien wurde nun ein hochauflösender Bioprinting-Prozess mit völlig neuen Materialien entwickelt: Dank einer speziellen „Bio-Tinte“ für den 3D-Drucker lassen sich Zellen nun direkt während des Herstellungsvorgangs in eine mikrometergenau gedruckte 3D-Matrix einbetten – und das mit einer Druckgeschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde, um Größenordnungen schneller als es bisher möglich war.

Auf die Umgebung kommt es an

„Wie sich eine Zelle verhält, hängt ganz entscheidend von den mechanischen und chemischen Eigenschaften sowie von der Geometrie ihrer Umgebung ab“, erklärt Prof. Aleksandr Ovsianikov, Leiter der Forschungsgruppe 3D Printing and Biofabrication am Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Die Strukturen, in denen die Zellen eingebettet sind, müssen für Nährstoffe durchlässig sein, damit die Zellen überleben und sich vermehren können. Ganz wichtig ist aber auch, ob die Strukturen steif oder biegsam sind, ob sie stabil sind oder im Lauf der Zeit abgebaut werden.“

Eine Möglichkeit ist, zuerst passende Strukturen herzustellen und danach mit lebenden Zellen zu besiedeln – doch mit diesem Ansatz kann es schwierig werden die Zellen tief im Inneren des Gerüstes unterzubringen, und es ist kaum möglich, eine gleichmäßige Zellverteilung zu erreichen. Die deutlich bessere Variante ist es, die lebenden Zellen direkt bei der Herstellung der 3D-Struktur mit einzubetten – diese Technik wird als „Bioprinting“ bezeichnet.

Mikroskopisch feine 3D-Objekte zu drucken, ist heute grundsätzlich kein Problem mehr. Die Verwendung von lebenden Zellen stellt die Wissenschaft aber vor ganz neue Herausforderungen: „Es fehlte bisher einfach an den passenden chemischen Substanzen“, sagt Aleksandr Ovsianikov. „Man braucht Flüssigkeiten oder Gele, die punktgenau erstarren, wo man sie mit einem fokussierten Laserstrahl beleuchtet. Diese Materialien dürfen für die Zellen allerdings nicht schädlich sein, und das Ganze muss außerdem noch extrem schnell ablaufen.“

Zwei Photonen auf einmal

Um eine extrem hohe Auflösung zu erreichen, verwendet man an der TU Wien bereits seit Jahren die Methode der Zwei-Photonen-Polymerisation. Dabei nutzt man eine chemische Reaktion, die nur dann in Gang gesetzt wird, wenn ein Molekül des Materials zwei Photonen des Laserstrahls gleichzeitig absorbiert. Das ist nur dort möglich, wo der Laserstrahl eine besonders hohe Intensität hat. Genau dort härtet die Substanz aus, überall sonst bleibt sie flüssig. Daher ist diese Zwei-Photonen-Methode bestens geeignet, um mit hoher Präzision feinste Strukturen herzustellen.

Genau wegen der hohen Auflösung hat die Methode allerdings normalerweise den Nachteil, sehr langsam zu sein – oft musste man sich mit einer Schreibgeschwindigkeit im Bereich von Mikrometern oder wenigen Millimetern pro Sekunde genügen. An der TU Wien hingegen schafft man mit zellfreundlichen Materialien einen Meter pro Sekunde – ein entscheidender Fortschritt. Denn nur, wenn der ganze Prozess zumindest in wenigen Stunden abgeschlossen ist, kann man davon ausgehen, dass die Zellen tatsächlich überleben und sich weiterentwickeln.

Zahlreiche Anpassungsmöglichkeiten

„Unsere Methode liefert viele Möglichkeiten, die Umgebung der Zellen anzupassen“, sagt Aleksandr Ovsianikov. Je nachdem, wie man die Struktur baut, kann man sie steifer oder weicher machen, sogar feine, kontinuierliche Übergänge sind möglich. So kann man genau vorherbestimmen, wie die Struktur aussehen soll, um Zellwachstum zu erlauben und Migration zu leiten. Durch die Laser-Intensität kann man außerdem einstellen, wie leicht die Struktur im Lauf der Zeit abgebaut werden kann.

„Für die Zellforschung ist das ein wichtiger Schritt nach vorne“, ist Ovsianikov überzeugt. „Mit solchen 3D-Modellen kann man das Verhalten von Zellen mit einer bisher unerreichbaren Genauigkeit untersuchen. Man kann herausfinden, wie sich Krankheiten ausbreiten – und wenn man Stammzellen verwendet, könnte man auf diese Weise sogar maßgeschneidertes Gewebe herstellen.“

Das Forschungsprojekt ist eine internationale und interdisziplinäre Kooperation, an der drei verschiedene Institute der TU Wien beteiligt waren: Ovsianikovs Forschungsgruppe war für die Drucktechnik selbst zuständig, das Institut für Angewandte Synthesechemie entwickelte die nötigen schnell reagierenden und zellfreundlichen Fotoinitiatoren (die Substanzen, die bei Beleuchtung den Aushärtungsprozess in Gang setzen) und am Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik wurden die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Strukturen analysiert.

Die hochauflösende 3D-Drucktechnologie und die dafür nötigen Materialien werden nun auch von der Firma UPNano kommerzialisiert, einem jungen erfolgreichen Spin-off der TU Wien. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Wie Gehirntumore ihr eigenes Wachstum fördern

Medienmitteilung der Universität Basel vom 13.08.2019

Forschende der Universität Basel und des Universitätsspitals Basel haben einen Mechanismus aufgeklärt, mit dem Krebszellen bei Gehirntumoren ihr eigenes Wachstum fördern. Die Krebszellen legen dazu den Abbau von Wachstumsrezeptoren in Zellen des Gehirns lahm und verstärken so sie die Signalübermittlung der Rezeptoren. Die Resultate der Studie wurden kürzlich in der Fachzeitschrift «EBioMedicine» veröffentlicht.

Krebszellen zeichnen sich durch unkontrolliertes Wachstum und Zellteilung aus. Das Glioblastom ist eine besonders aggressive Krebsform im Gehirn, das durch ungebremstes Wachstum von sogenannten Gliazellen entsteht. Die Gliazellen umgeben und stützen die Neuronen und spielen eine wichtige Rolle in der Energieversorgung und Informationsweiterleitung.

Krebspatienten haben verändertes Proteininventar

Eine Arbeitsgruppe aus Forschenden des Biozentrums, des Departments Biomedizin und der Neurochirurgie der Universität Basel hat nun die Gesamtheit der Proteine, das sogenannte Proteom, von verschiedenen Glioblastomen untersucht. «Unser Ziel war es, die Veränderungen des Proteininventars in Biopsien von Gliomapatienten mithilfe der hochauflösenden Massenspektrometrie zu analysieren. Die Datenmenge, die sich während diesen Analysen ergaben, war riesig», erklärt Studienkoordinator Paul Jenö.

Gehemmter Abbau von Wachstumsrezeptoren fördert ungebremstes Zellwachstum

Für ihre Studie verwendeten die Forscherinnen und Forscher Biopsien von Krebspatienten mit unterschiedlichem Glioblastom-Grad. Die Daten zeigten, dass eine bestimmte Gruppe von Proteinen bei Gliomapatienten in deutlich verringerter Konzentration vorliegt. «Diese Proteine regulieren auch den Abbau des Wachstumsrezeptors EGFR. Liegt wie bei den untersuchten Patienten das Protein in zu geringer Konzentration vor, wird Rezeptoraufnahme in die Zelle reduziert, aber die intrazelluläre Signalaktivität erhöht. Die Folge ist ein ungebremstes Zellwachstum», so Studienautor Dominik Buser.

Zusammenfassend zeigte sich, dass Glioma die Endozytose herunterfahren und damit die Verweildauer von Rezeptoren an der Zelloberfläche verlängern. Die Wachstumsrezeptoren können so länger wirken und das ungebremste Zellwachstum beginnt. «Das Glioblastom nutzt also den gehemmten Abbau von Wachstumsrezeptoren, um selbst schnell und aggressiv zu wachsen», so Jenö. Die Studie zeigt einmal mehr, mit welchen Strategien Krebszellen molekulare Vorgänge ausschalten, um ihr eigenes Wachstum voranzutreiben. Die Ergebnisse tragen somit zum Verständnis für die molekularen Prozesse beim Krebswachstum bei und könnten neue Anhaltspunkte für Therapien liefern.

Originalbeitrag:
Dominik P. Buser, Marie-Françoise Ritz, Suzette Moes, Cristobal Tostado, Stephan Frank, Martin Spiess, Luigi Mariani, Paul Jenö, Jean-Louis Boulay and Gregor Hutter
Quantitative proteomics reveals reduction of endocytic machinery components in gliomas
EBioMedicine (2019), 10.1016/j.ebiom.2019.07.039

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Toxoplasmose-Erreger mobiler als gedacht

Presseinformation der LMU München vom 03.07.2019

LMU-Mikrobiologen zeigen eine neue Art der Fortbewegung des Parasiten T.gondii auf.

Toxoplasma gondii, der Erreger der Toxoplasmose, verfügt über mehr Möglichkeiten, sich fortzubewegen, als bislang bekannt war. Der weltweit verbreitete Parasit löst beim Menschen eine in der Regel harmlose Infektion aus, kann aber während einer Schwangerschaft dem ungeborenen Kind schaden. „Bislang war das fest akzeptierte Dogma, dass sich der Parasit über das Aktomyosin-System fortbewegt, also das Zytoskelett und Motorproteine“, sagt Markus Meissner, Professor für Experimentelle Parasitologie an der LMU. In einer aktuellen Publikation im Fachjournal PLOS Biology zeigt Meissner zusammen mit Kollegen der Universität Glasgow, Schottland, einen neuen Mechanismus der Fortbewegung auf.

T.gondii ist bogenförmig, verändert aber seine Form, wenn er in die Wirtszelle eindringt, im Gewebe ist er eher oval geformt. Ausgangspunkt der neuen Studie war die Beobachtung, dass der Parasit auch dann noch beweglich ist und in Wirtszellen eindringt, wenn seine Motorproteine zerstört sind. Das Team konnte nachweisen, dass T.gondii Partikel aufnehmen kann. Diesen Mechanismus nutzten die Forscher, um die Fortbewegung des einzelligen Parasiten mithilfe fluoreszierender Moleküle zu beobachten. „T.gondii sekretiert vorne an der Zelle Vesikel und nimmt sie hinten wieder auf. Dadurch erzeugt der Parasit einen Membranfluss, den er in Kraft für Fortbewegung umwandeln kann. Der Aufnahmemechanismus scheint völlig anders zu sein als bei anderen Eukaryonten und auch bei den Wirtszellen“, sagt Meissner. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher die Mechanismen dieser Fortbewegung genauer klären und dadurch mögliche neue Angriffspunkte für Therapien aufzeigen.

Publikation:
Simon Gras, Elena Jimenez-Ruiz, Christen M. Klinger, Katja Schneider, Andreas Klingl: Leandro Lemgruber, Markus Meissner: An endocytic-secretory cycle participates in Toxoplasma gondii in motility. In: PLOS Biology 2019

Externer Link: www.uni-muenchen.de