Wissenschaftliche Projekte

Das Karzinom der Bauchspeicheldrüse ist die vierthäufigste krebsbedingte Todesursache in der westlichen Welt und war verantwortlich für geschätzte 14.835 Sterbefälle im Jahre 2010 in Deutschland. Bösartige Neubildungen der Bauchspeicheldrüse verursachen selten Frühsymptome oder diese sind mit Oberbauch- und Rückenschmerzen uncharakteristisch. Demzufolge wird die Erkrankung in 80% der Fälle erst in einem fortgeschrittenen Stadium diagnostiziert, das durch eine ausgeprägte lokale Invasion, frühe systemische Dissemination, sowie einen hohen Grad an Resistenz gegenüber Chemo- und Radiotherapie charakterisiert ist. Bisher ist wenig darüber bekannt, warum nur einige, aber nicht alle Zellen eines Tumors die Fähigkeit erlangen, durch Gewebebarrieren zu wandern und in entfernte Organe zu streuen. In den letzten Jahren verdichteten sich Hinweise darauf, dass alleine die sogenannten Tumorstammzellen für Wachstum und Streuung eines Tumors verantwortlich sind. Bereits 1855 hat der Arzt Rudolf Virchow die "Embryonale-Rest"-Hypothese der Tumorbildung aufgestellt, basierend auf seinen Beobachtungen histologischer Ähnlichkeiten zwischen Tumorgewebe und embryonalem Gewebe. Diese Theorie wurde 1875 von dem Pathologen und Virchow-Schüler Julius Cohnheim erweitert. Cohnheim postulierte, dass humane Tumore aus Stammzellen entstehen, die während der embryonalen Entwicklung übrig geblieben sind und in den Geweben fortbestehen. Diese Theorie wurde weiter zur Tumorstammzell-Theorie entwickelt. Diese besagt dass Krebs aus einer speziellen Zellpopulation mit Stammzelleigenschaften hervorgeht. Als Ursprung in Frage kommen zum einen mutierte Progenitorzellen die sich in einem Übergangsstadium zwischen Stamm- und differenzierter Zelle befinden und Selbsterneuerungspotential entwickeln. Zum anderen wird für möglich gehalten dass Tumorstammzellen von differenzierten Tumorzellen abstammen, die sich zurück verwandeln in Stammzell-ähnliche Zellen. Man nimmt an, dass solche Tumorstammzellen zur Resistenz vieler Tumorarten gegenüber einer Chemo- oder Radiotherapie beitragen, da Stammzellen diese unbeschadet überleben. Ebenso wird vermutet, dass Tumorstammzellen ein erneutes Wachstum des Tumors trotz anfänglich erfolgreicher Therapie verursachen und eine Metastasierung in sekundären Organen auslösen. Man denkt sogar, dass einzelne zurückgebliebene Tumorstammzellen nach einer operativen Entfernung des Tumors über lange Perioden in einem schlafenden Zustand im Körper verharren und noch Jahre nach einer kurativen chirurgischen Entfernung des Primärtumors wieder zu Tumoren auswachsen und ein Rezidiv verursachen können. Auch beim Bauchspeicheldrüsenkrebs und bei anderen Tumoren des Magen-Darm-Traktes hat man Marker für Tumorstammzellen nachgewiesen. Die hier vorgestellte Arbeitsgruppe Molekulare OnkoChirurgie untersucht daher neue Therapieoptionen, welche die Tumorstammzellen verwundbar machen. Hierzu wurden verschiedene Modelle für Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms etabliert, an denen experimentelle Therapieoptionen getestet werden. Die Modelle und Therapiestudien sind im Folgenden kurz dargestellt:

Experimentelle Modelle von Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms

Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms werden anhand spezifischer Merkmale charakterisiert. Diese umfassen (I) Selbsterneuerungspotential (durch symmetrische und asymetrische Zellteilung), (II) Differenzierungspotential zur Umwandlung in verschiedene Zelltypen, welche im parentalen Tumor vorkommen, (III) Fähigkeit der seriellen Passagierung auf immundefizienten Mäusen mit nachfolgender Rekapitulation des Originaltumors, (IV) Expression von spezifischen Oberflächenmarkern (CD24, CD44, c-Met, EpCAM/ESA, CD133, CXCR4), welche eine sichere Identifizierung und Aufreinigung der Tumorstammzellen ermöglichen. Desweiteren findet man bei Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms eine erhöhte Aktivität des Enzyms ALDH1, eine ausgeprägte Resistenz gegenüber der Induktion des programmierten Zelltods, vermehrte Signaltransduktion durch den NF-kB Faktor und aktivierte Signalwege der epithelialen-mesenchymalen Transduktion, welche mit einer gesteigerten Zellbeweglichkeit und Wanderungspotential verbunden ist. Anhand dieser Marker haben wir etablierte Zellen des Pankreaskarzinoms charakterisiert, welche in Petrischalen im Labor wachsen. Es gab darunter Zellen die zu 95% Tumorstammzellcharakter zeigten (MIA-PaCa2, AsPC-1) aber auch Zellen mit weniger als 15% dieser Marker (BxPc-3, Capan-2). Letztere wuchsen weniger aggressiv. Wir konnten jedoch durch mehrere Chemotherapie-Zyklen den Tumorstammzell-Charakter von BxPc-3 auf über 45% erhöhen. Desweiteren haben wir die Tumorstammzellpopulation durch "FACS-Sorting" auf eine über 95% reine Population angereichert und direkt für Experimente eingesetzt. Ebenso haben wir Tumorstammzellen aus frisch operativ entfernten Tumoren von Patienten durch serielle Transplantation auf Mäusen unter Gemcitabin-Selektionsdruck angereichert. Aus den Xenograft-Tumoren haben wir wiederum spheroidal-wachsende Tumorstammzell-Kulturen in der Petrischale gezüchtet. Diese Experimente werden unterstützt durch Mittel aus der Heidelberger Stiftung Chirurgie und Stiftungsmittel der Universität Heidelberg.

Bioaktive Stoffe aus Obst- und Gemüse zur Tumorprävention und Tumortherapie

Daten der Molekularen Onkochirurgie zeigen, dass Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms sich mit einem speziellen Mechanismus schützen, dem NF-kB-Stoffwechselweg, der an der ausgeprägten Therapieresistenz des Pankreaskarzinoms beteiligt ist. Brokkoli scheint diese Resistenz allerdings zu durchbrechen und die Tumorstammzellen für die konventionelle Krebstherapie empfänglich zu machen: das Gemüse enthält einen Wirkstoff, der NF-kB blockiert und damit die gefährlichen Zellen verwundbar macht. Aber nicht nur Brokkoli, sondern auch andere Mitglieder der Kreuzblütlerfamilie, darunter die verschiedenen Kohlarten, Raps, Rettich, Kresse, Rucola und Senf haben einen hohen Gehalt an Sulforaphan und verwandten Stoffen. Wie andere Wissenschaftler gezeigt haben wirkt diese Substanz darüber hinaus auch gegen Entzündung und Infektionen. Außerdem schützt Sulforaphan die Körperzellen vor Schäden im Erbgut und leitet den Zelltod bei Zellen ein, die sich unkontrolliert teilen. Versuche der Arbeitsgruppe I. Herr zeigen, dass Sulforaphan die Blutgefäßbildung im Tumor und das Tumorwachstum hemmt, ohne Nebenwirkungen bei Mäusen zu verursachen. Dies fand sich nicht nur beim Pankreaskarzinom, sondern auch bei Zellen des Prostatakarzinoms. Ebenso konnte Sulforaphan die Wirkung des neuartigen Krebsmedikaments Sorafenib verstärken. Dieser Multi-Kinase-Hemmer wird bei fortgeschrittenem Leber- und Nierenkrebs eingesetzt, da er verglichen zu anderen Medikamenten lebensverlängernd wirkt. Das Team I. Herr fand heraus dass Sorafenib auch bei Bauchspeicheldrüsenkrebs wirksam ist: es zeigte sich, dass Sorafenib typische Eigenschaften von Tumorstammzellen hemmt und das Tumorwachstum stark reduziert. Dieser Effekt hielt allerdings nur kurz an, und nach vier Wochen hatten sich erneut kleine Kolonien der Tumorstammzellen gebildet, die nun nicht mehr auf eine weitere Behandlung mit dem Multi-Kinase-Inhibitor reagierten. Diese Resistenz scheint wiederum mit NF-kB zusammen zu hängen. Wir haben erstmalig gezeigt, dass Sorafenib die Aktivität von NF-kB erhöht, was kontraproduktiv für die Wirksamkeit dieses neuen Medikaments ist. Sulforaphan verhindert jedoch die Aktivierung des NF-kB Signalwegs und macht dadurch die Kombinationsbehandlung effizienter, was keine zusätzlichen Nebenwirkungen in therapierten Mäusen hervorruft. Die Krebszellen konnten keine Absiedelungen mehr bilden, die Metastasierungsfähigkeit war in der Zellkultur komplett aufgehoben. Bemerkenswert ist, dass auch andere Pflanzeninhaltsstoffe eine Wirkung gegen pankreatische Tumorstammzellen zeigen und der Effekt daher nicht auf Gemüse der Kreuzblütlerfamilie beschränkt ist. Unter anderem hat die Arbeitsgruppe das Polyphenol Quercetin untersucht, das ebenfalls in Brokkoli vorkommt, aber auch in vielen weiteren Obst- und Gemüsesorten wie Äpfeln, Zwiebeln und Beeren enthalten ist. Interessanterweise konnte die Kombination von Sulforaphan mit Quercetin genau so gut Tumorstammzellen im Labor und auf Mäusen eliminieren, wie die Kombination von Sulforaphan mit Chemotherapie, Sorafenib oder TRAIL. Diese Daten weisen auf Synergien verschiedener Pflanzeninhaltsstoffe bezüglich ihrer therapeutischen Wirkung hin. Sie belegen die große Bedeutung einer ausgewogenen Ernährung mit viel frischem Obst- und Gemüse zur Krebsvorbeugung und begleitenden Behandlung von Krebs. Das Team I. Herr untersucht nun eine Reihe weiterer Pflanzeninhaltsstoffe und ihre Wirkung auf Tumorstammzellen des Pankreas- und Leberkarzinoms. Die erhaltenen experimentellen Daten zu dem Brokkolistoff Sulforaphan werden in einer Patientenstudie, die von Ärzten der Chirurgie durchgeführt wird, auf ihre Wirkung am Patienten überprüft. Der experimentelle Teil des Projekts wird seit 2011 von der Deutschen Krebshilfe gefördert. 

Kombination von TRAIL-Lymphozyten und EpCAMxCD3 bispezifische Antikörper zur zielgerichteten Tumor-Elimination

Dieses Projekt wird gemeinsam mit Dr. Gerhard Moldenhauer, DKFZ, durchgeführt, welcher ein Experte für bispezifische Antikörper ist.

Bispezifische Antikörper (bsAk) sind künstlich hergestellte Moleküle, welche eine doppelte Spezifität für Antigen aufweisen: ein Arm des bsAk bindet an Antigene von Immun-Effektorzellen (z.B. CD3), während der andere Arm Tumorzell-assoziierte Antigene (z.B. EpCAM) erkennt. Die duale Spezifität führt einerseits zur Aktivierung der Effektorzelle und andererseits zu ihrer Zielrichtung auf die Tumorzelle, die nachfolgend zerstört wird. Der trifunktionale Antikörper Catumaxomab (EpCAMxCD3) repräsentiert ein Prototyp-Reagenz, das 2009 in Europa zugelassen wurde und von Fresenius Biotech unter dem Namen Removab® in den Handel gebracht wurde. Bei Patienten mit malignem Aszites wird Catumaxomab direkt in die Bauchhöhle infundiert, woraufhin ein Rückgang des Aszites z.B. bei Patienten mit einem Ovarkarzinom beobachtet wurde. Unerwünschte Nebenwirkungen der Therapie sind tolerabel und werden auf die Freisetzung von Lymphokinen und Zytokinen aufgrund des immunologischen Wirkmechanismus zurück geführt. Um hoch resistente Tumorstammzellen für eine bsAk Therapie empfänglicher zu machen, haben wir supernatürliche Lymphozyten hergestellt, die nach lentiviraler Transduktion des Todesliganden Tumor necrosis factor (TNF)–related apoptosis inducing ligand (TRAIL) verstärkte zytotoxische Eigenschaften aufweisen (11). TRAIL wurde gewählt, weil seine spezifische Toxizität gegenüber malignen Zellen beschrieben ist und Nebenwirkungen des rekombinanten TRAIL Proteins oder agonistischer Antikörper gegen TRAIL-Rezeptor 1 (Mapatumumab) in Phase I/II klinischen Studien gering sind. Allerdings war die am Patienten erzielte Antitumor-Aktivität von TRAIL insgesamt eher schwach. Es wird vermutet, dass dies mit der relativ kurzen Halbwertszeit des TRAIL-Proteins zusammenhängt, die für eine anhaltende Exposition von Tumorzellen nicht ausreichend ist. Wir verwenden daher Lymphozyten als TRAIL-Vehikel, um membranständiges TRAIL mithilfe des BsAk EpCAMxCD3 unbeschadet hin zu EpCAM-positiven Tumorzellen zu lenken. EpCAM wird von der Mehrheit epithelialer Tumore hochgradig exprimiert, darunter das Pankreaskarzinom. In adulten Geweben ist EpCAM ebenfalls auf nahezu allen gesunden Epithelien exprimiert. Studien haben gezeigt, dass EpCAM auf normalen Geweben zusammen mit anderen Proteinen in einem festen Komplex vorliegt, der den Zugang durch Antikörper und T Zellen erschwert. Dagegen werden bestimmte Epitope von EpCAM, die in normalen Zellen nicht erreichbar sind, durch die starke Überexpression in Tumoren weniger fest an Proteinpartner gebunden und sind damit besser für Antikörper oder T Zellen erreichbar. Wichtig für das hier beschriebene Projekt ist, dass EpCAM, welches auch als ESA bezeichnet wird, ein Tumorstammzellmarker des Pankreaskarzinoms ist. D. Simeone und ihre Gruppe zeigten, dass die ESA+ Population aus humanen resezierten Pankreastumoren viel effizienter Tumore in Mäusen bildete als die ESA- Population. In unseren Untersuchung haben wir festgestellt, dass EpCAMxCD3 die Kontaktzeit zwischen Lymphozyten und etablierten Pankreaskarzinomzellen erhöht. In Mäusen konnte EpCAMxCD3 signifikant das Wachstum von subkutanen Xenografts der humanen Pankreaskarzinomlinie BxPC-3 reduzieren, ohne Nebenwirkungen in den Mäusen zu verursachen. Da EpCAM in höheren Vertebraten hoch konserviert ist (Maus/Mensch = 82 % Homologie), weisen unsere Daten auf eine gute Verträglichkeit des bsAb EpCAMxCD3 in Patienten hin. Um den Effekt des bsAk in einer patientennahen Tumormikroumgebung weiter zu testen, haben wir ein dreidimensionales Tumorrekonstrukt etabliert, in dem Lymphozyten mit Tumorzellen und Fibroblasten in einer Kollagenmatrix kokultiviert werden. In diesem in vivo-ähnlichen System bewirkte EpCAMxCD3 eine starke Produktion der Effektorzytokine IFN-g and TNF-a durch primäre ex vivo preaktivierte Lymphozyten. Darüber hinaus konnte EpCAMxCD3 die Produktion von IFN-g und TNF-a durch nicht stimulierte Lymphozyten effizienter induzieren als ein bivalenter anti-CD3 Kontroll-Antikörper. Zur Produktion von supernatürlichen T Zellen haben wir TRAIL auf der Membran humaner primärer Lymphozyten mittels lentiviraler Transduktion überexprimiert und erreichten damit eine Effizienz von 60% (11). Ko-Transplantation der Tumorzellen mit TRAIL-Lymphozyten in subkutanen Xenograft-Modellen induzierte Apoptose und verzögerte das Tumorwachstum. Entsprechende Ergebnisse wurden nach intratumoraler Injektion von TRAIL-Lymphozyten nach Etablierung der Xenografts erhalten. Eine Kombination der TRAIL-Lymphozyten mit EpCAMxCD3 konnte das Tumorwachstum nahezu vollständig eliminieren. Die Rückbildung des Tumors war assoziiert mit einer signifikanten Induktion von Apoptose, einer reduzierten Proliferation, einer verminderten Tumorangiogenese und der Bildung großer  intratumoraler flüssiger Zysten. Diese Zysten führen wir auf die beobachtete verstärkte Zytokinproduktion und infiltrierende Maus Makrophagen zurück. Letztendlich konnten wir mit dieser Kombinationstherapie auch pankreatische Zellen mit Tumorstammzellcharakteristik eliminieren, welche resistent gegen die herkömmliche Gemcitabin Chemotherapie sind. Wir folgern aus unseren Untersuchungen, dass der hier vorgestellte Gen-immunotherapeutische Ansatz ein neues effektives Werkzeug ist, um die endogene Immunantwort gegen fortgeschrittene Krebserkrankungen zu unterstützen. Gleichzeitig sehen wir, dass es schwierig sein wird einen solch multimodalen Ansatz in die Klinik zu bringen. Der experimentelle Teil dieses Projekts wurde vom BMBF gefördert.

Spezifischer Transfer onkolytischer Adenoviren mittels mesenchymaler Stromazellen zur Elimination pankreatischer Tumorstammzellen 

Dieses Projekt wird gemeinsam mit PD Dr. D. Nettelbeck, DKFZ durchgeführt, welcher ein Experte für onkolytische Adenoviren ist.

Ein viel versprechendes Agens zur Tumortherapie sind onkolytische Adenoviren, weil die Replikationsfähigkeit dieser Erkältungsviren auf Tumorzellen beschränkt werden kann. Dies wird durch Mutation oder selektive Expression essentieller Gene bewerkstelligt. Während des Vermehrungszyklus onkolytischer Adenoviren kommt es zur Lyse der Tumorzelle und Freisetzung neuer infektiöser Viren welche erneut Tumorzellen infizieren und lysieren. Ein großer Vorteil onkolytischer Adenoviren ist ihr ausgezeichnetes und in Klinischen Studien geprüftes Sicherheitsprofil. Augrund der nur unzureichenden Expression des Adenovirusrezeptors auf vielen Tumorzellen, einschließlich des Pankreaskarzinoms, muss die Virushülle für eine verbesserte Tumorzell-Bindung modifiziert werden. Weiterhin wird verstärkt die Eignung von Zellen mit Tumortropismus als Virus-Carrier untersucht. Solche Zellcarrier schützen auch die therapeutischen Viren vor neutralisierenden Antikörpern gegen Adenoviren, welche bei vielen Patienten aufgrund vorangegangener natürlicher Infektionen mit Erkältungsviren vorkommen, und ermöglichen so eine systemische Applikation. Mesenchymale Stammzellen des Knochenmarks könnten ein geeignetes Vehikel für onkolytische Adenoviren sein, da diese Stammzellen die Replikation onkolytischer Adenoviren unterstützen, infektiöse Viren freisetzen und damit deren Antitumor-Aktivität erhöhen – letzteres wurde in experimentellen malignen Tumoren der Lunge-, der Brust- und des Gehirns bereits gezeigt. In einer klinischen Pilotstudie wurden fünf Patienten mit metastasierendem Neuroblastom mit autologen mesenchymalen Stammzellen behandelt, die mit onkolytischen Adenoviren infiziert waren. Diese Therapie war mit einem Antitumoreffekt assoziiert und nebenwirkungsärmer als eine Chemo- und Radiotherapie. Darüber hinaus beschreiben erste Berichte eine effektive adenovirale Onkolyse von Tumorstammzellen des Mammakarzinoms. Verglichen zu anderen epithelialen malignen Tumoren weist das Pankreaskarzinom die stärkste Bindegewebsreaktion auf und mesenchymale Stammzellen tragen hierzu bei. Unsere eigenen Befunde zeigen die tumorspezifische Einwanderung mesenchymaler Stammzellen in experimentelle Tumormodelle des Pankreaskarzinoms. Deshalb erscheinen mesenchymale Stammzellen geeignet für eine systemische Applikation und eine gezielte Anreicherung onkolytischer Adenoviren im Pankreaskarzinom. Bisher ist es jedoch noch völlig unerforscht, ob onkolytische Adenoviren mit mesenchymalen Stammzellen als Vehikel tatsächlich effizient in das Pankreaskarzinom eingeschleust werden und dort nebenwirkungsarm pankreatische Tumorstammzellen eliminieren können. Dieses Projekt wird daher von der AG I. Herr in Zusammenarbeit mit der AG D. Nettelbeck untersucht. Hierzu werden die Adenoviren durch verschiedene molekulare Klonierungsschritte optimiert. Ziel ist die Herstellung von Viren, welche sowohl mesenchymale als auch Tumorstammzellen infizieren. Dabei  sollen die mesenchymalen Stammzellen möglichst spät von den Viren lysiert werden, damit diese ihre therapeutische Fracht noch unbeschadet hin zum Pankreastumor transportieren können. In dem hier beschriebenen Kooperationsprojekt wird daher erstmals folgendes Szenario untersucht: das Pankreaskarzinom mobilisiert mesenchymale Stammzellen des Knochenmarks, die wir zuvor ex vivo inaktiviert und mit optimierten onkolytischen Adenoviren infiziert haben. Die infizierten mesenchymalen Stammzellen wandern in die Tumormikroumgebung des Pankreaskarzinoms ein und werden im Tumorstroma ansässig. Aufgrund der tumorspezifischen Replikation der onkolytischen Viren erwarten wir eine Elimination der pankreatischen Tumorstammzellen durch gezielte virale Lyse. Dieses Projekt wird seit Anfang 2011 von der DFG gefördert. Vorarbeiten der AG I. Herr zur Funktion mesenchymaler Stammzellen beim Pankreaskarzinom wurden vom Tumorzentrum Heidelberg/Mannheim sowie von der Deutschen Krebshilfe gefördert.

Evaluation der Selektion pankreatischer Tumorstammzellen durch Dexamethason

Dieses Projekt wird in Kooperation mit Prof. E. Yefenof, Jerusalem, Israel durchgeführt, welcher ein Experte für die therapeutische Wirkung von Kortison auf Blutkrebszellen ist.

Kortison, ein prominentes Steroidhormon aus der Glukokortikoid-Rezeptorfamilie, zählt zu den meistverschriebensten Medikamenten weltweit. Es wird aufgrund seiner entzündungshemmenden und immunsuppressiven Wirkung häufig eingesetzt bei der Behandlung von Asthma, Dermatitis, Rheumatoider Arthritis, zur Verhinderung der Transplantatabstoßung, sowie zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen. Glukokortikoidhormone dienen auch als begleitende Therapie bei der zytotoxischen Behandlung lymphoider und solider maligner Tumore. Grund hierfür ist die Eigenschaft von Kortison den programmierten Zelltod in Tumorzellen des Blutes auszulösen und Nebenwirkungen der Chemotherapie und des Tumorwachstums zu verhindern, darunter Übelkeit, Erbrechen, Schädigung normaler Körperzellen und Ödembildung. Allerdings werden hämatologische Tumorzellen oftmals resistent gegen die Kortisonbehandlung. Auch zeigen neuere Daten, unsere eigenen mit eingeschlossen, dass Glukokortikoide eine Therapieresistenz bei den meisten Tumorzellen solider Tumore hervorrufen. Die Tumorzellen, darunter solche des Magen-Darm-Traktes, sind dann vor einer Chemotherapie geschützt und der therapeutische Effekt ist verringert. Der Grund hierfür ist nicht bekannt, aber wir vermuten eine Kortison-induzierte Anreicherung von Tumorstammzellen als zugrundeliegenden Mechanismus. In diesem Projekt wird daher die Anreicherung von Tumorstammzellmarkern durch das bekannte Kortisonderivat Dexamethason untersucht. Der Fokus hierbei liegt auf der Wirkung von Dexamethason auf die Expression von Tumorstammzell-Oberflächenmarkern, das in vivo Wachstumspotential, das Metastasierungspotential und die Induktion von Tumorstammzell-assoziierten Signalwegen. Diese biochemischen und molekularen Analysen erlauben mechanistischen Einblick in die durch Kortison-induzierte Signaltransduktion und werden wichtige Informationen über den therapeutischen Nutzen einer Kombination von Kortisonpräparaten zusammen mit der herkömmlichen Tumortherapie bringen. Dieses Projekt wird seit 2011 von der German Israeli Foundation (GIF) gefördert.

Identifizierung von Metaboliten des Meeresschwammes Crambe crambe gegen Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms

Dieses Projekt wird zusammen mit Prof. F. Brümmer Universität Stuttgart und Prof. G. Morlock Universität Hohenheim durchgeführt.

Meeresschwämme enthalten viele undefinierte Substanzen mit anti-neoplastischer Aktivität, deren Wirkung gegen Tumorstammzellen noch völlig unerforscht ist. In unseren Vorarbeiten haben wir 12 verschiedene Meeresschwämme gesammelt und die Wirkung ungereinigter Extrakte auf etablierte Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms untersucht. Extrakt des Schwammes Crambe crambe war am effektivsten. Selbst in hoher Verdünnung eliminierte der C. Crambe Extrakt effektiv in vitro kultivierte Tumorstammzellen, die resistent gegen Gemcitabin waren. Dabei war der Extrakt weniger toxisch für nicht maligne Zellen. C. crambe ist ein hellroter verkrusteter Meeresschwamm, der häufig in den Felsenküsten des Mittelmeeres vorkommt. C. crambe hat ein hohes Selbstverteidigungspotential gegen Infektionen und Parasiten. Darüber hinaus induziert dieser Schwamm Nekrosen in den Geweben anderer Schwämme, wenn diese zu nahe kommen. Methanolischer C. crambe Extrakt hat eine starke antibakterielle und antifungizide Wirkung. Zusätzlich wurden Fäulnis-verhindernde Eigenschaften von C. crambe nachgewiesen. Bisher wurden einige der C. crambe Metabolite isoliert, darunter vier pentazyklische Guanidin-Derivative, nämlich Crambescidin 800, Crambescidin 816, Isocrambescidin 800 und Crambine, welches mit Ptilomycalin verwandt ist. Diese Metaboliten haben eine geringe bis mittlere Zytotoxizität im nanomolekularen Bereich, wie z.B. bei etablierten Tumorzell-Linien des Prostatakarzinoms (DU-145, LNCAP) und des Pankreaskarzinomns (PANC-1) gefunden wurde. Obwohl mechanistische Untersuchungen über die exakte Natur der Zytotoxizität der Metaboliten fehlen, gibt ein anderer Bericht einen interessanten Hinweis auf eine mögliche Wirkung gegen Tumorstammzellen. Es wurde gezeigt, dass Crambescine 800 in Zellen der chronischen myelogenen Leukämie eine Differenzierung bewirkt, der mit einem Zellzyklusarest in der S-Phase einhergeht. Dennoch sind die spezifischen Funktionen der Crambescidin Alkaloide und anderer C. crambe Metabolite gegen Tumorstammzellen bislang nicht untersucht. Wir werden daher in diesem Kooperationsprojekt mit dem Meeres-Zoologen Prof. Brümmer und der analytischen Chemikerin Prof. Morlock aktive Komponenten aus C. Crambe isolieren und deren Aktivität gegen Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms charakterisieren. Dazu werden vom Labor Brümmer Techniken für die Kultur von C. crambe etabliert, gefolgt von der Isolierung bioaktiver Fraktionen durch das Labor Morlock mittels der neuartigen HPTLC/Bioassay/HRMS-Methodik. Die Fraktionen werden vom Labor I. Herr an etablierten und primären Tumorstammzellen des Pankreaskarzinoms in vitro und in vivo untersucht. Hierfür wird die Molekulare OnkoChirurgie bereits etablierte Testsysteme verwenden, mit denen sich die Tumorstammzell-Eigenschaften überprüfen lassen. Auf diese Weise sollen molekulare Signalwege identifiziert werden, welche von C. crambe moduliert werden um Tumorstammzellen zu eliminieren. In diesem interdisziplinären Projekt wollen die Antragsteller ihre Expertisen zur Aufreinigung, Strukturanalyse und therapeutischer Evaluation bioaktiver Substanzen bündeln. Durch diese Untersuchungen sollen die Voraussetzungen für die Entwicklung wirksamerer Medikamente gegen pankreatische Tumorstammzellen durch den pharma­zeutischen Markt geschaffen werden. Für dieses Projekt ist die Einreichung eines Verbundantrages geplant. 

Individuelle Patienten-Tumormodelle für die personalisierte Therapie

 Dieses Projekt wird zusammen mit unseren chirurgischen Kollegen Prof. Jens Werner und Prof. Peter Schemmer durchgeführt. 

Chemotherapeutische Behandlungen von Patienten mit einem Pankreaskarzinom sind oft unwirksam und die Patienten leiden unter den Nebenwirkungen. Um die Wirksamkeit von Therapien bei individuellen Tumormodellen zu testen, werden Transplantate des Patiententumors auf immundefizienten Mäusen kultiviert. An diesen Tumormodellen kann innerhalb von 6 Monaten nach der Operation für den individuellen Patienten getestet werden, auf welche therapeutischen Stoffe sein definiertes Tumorgewebe und Tumorstammzellmarker reagieren. Zur Etablierung wurden bisher 5 frisch resezierte Patiententumore auf Mäuse transplantiert, gefolgt von mehrmaliger Subtransplantation. Die Anwachsrate der Primärtumore beträgt 80%. Wie die Vorarbeiten zeigen, entsprechen sich die Morphologie des Primärtumors und der daraus kultivierten Xenografts. Ebenso kommt es im  Laufe der Subtransplantationen zu einer starken Anreicherung des Tumorstammzellmarkers c-Met, was einer Progression der Tumorerkrankung beim Patient entspricht. Es werden nun Therapieoptimierungsstudien folgen, bei denen das Xenograftgewebe auf Mäusen vermehrt wird, so dass an statistisch relevanten Gruppengrößen und an einer genetisch identischen Tumorkohorte Therapieoptionen getestet werden können. Ziel des Projektes ist die Schaffung von Grundlagen, um künftig Patienten eine ex vivo Kultivierung ihres eigenen Tumors für individuelle Therapieoptimierungsstudien anbieten zu können. Finanzierung: Vorarbeiten werden durch die Stiftungsmittel der Uni Heidelberg gefördert, ein weiterer Drittmittelantrag ist geplant.

Untersuchung von Tumorstammzellmarkern beim Riesenzelltumor des Knochens

 Dieses Projekt wird zusammen mit Dr. J. Fellenberg von der Orthopädischen Universitätsklinik Heidelberg durchgeführt. 

Dieses Projekt geht auf den Zusammenschluss der Orthopädie Heidelberg mit dem Universitätsklinikum Heidelberg im Jahre 2010 zurück. Um die Zusammenarbeit zwischen der Orthopädie und anderen Einrichtungen des Klinikums zu stärken, werden von der medizinischen Fakultät Kooperationsprojekte gefördert. Unter Berücksichtigung der Expertise von Dr. Jörg Fellenberg/Orthopädie zum Riesenzelltumor des Knochens und mesenchymaler Stammzellen sowie der Arbeitsgruppe I. Herr zu Tumorstammzellen und mesenchymalen Stammzellen bei der Tumorprogression wurde im Jahre 2010 das hier beschriebene Kooperationsprojekt initiiert. Mit 4-5% aller primären Knochentumoren ist der Riesenzelltumor (RZT) ein sehr häufiger, in der Gruppe der 25- bis 40-jährigen sogar der häufigste, Knochentumor. Er entwickelt sich bevorzugt in Gelenknähe an den epiphysären Wachstumszonen der langen Röhrenknochen. Es handelt sich bei diesem Tumor um einen meist benignen Tumor der jedoch lokal ein sehr aggressives Verhalten aufweist und zu umfangreichen Knochenschädigungen führt. In seltenen Fällen kann es zur malignen Transformation kommen und in ca. 2% aller Fälle wurde die Bildung von Lungenmetastasen beobachtet. Eine operative Entfernung des Tumors bietet derzeit die einzige Heilungschance, wobei jedoch mit 35-50% eine sehr hohe Rezidivrate besteht, welche wiederum mit einem erhöhten Metastasierungsrisiko (10%) verbunden ist. Wir vermuten, dass eine kleine Population von "schlafenden" Tumorstammzellen im Riesenzelltumor vorhanden ist, welche für die Rezidivbildung und Metastasierung verantwortlich ist. Dies wurde bei anderen Tumorentitäten bereits gezeigt, beim Riesenzelltumor ist das Gebiet der Tumorstammzellen jedoch noch völlig unerforscht. Durch  Vergleich von Stammzellmarkern bei parentalen und chemotherapieresistenten Riesentumorlinien, adhärent und späroidal wachsenden Linien analysieren wir Tumorstammzellmarker beim Riesenzelltumor. Durch FACS-Sorting und Transplantation auf Mäuse soll der direkte Nachweis auf einen Tumorstammzellcharakter von Marker-positiven Zellen gebracht werden. Dieses Kooperationsprojekt wird seit 2011 nach Begutachtung eines eingereichten Forschungsantrags durch die medizinische Fakultät der Universität Heidelberg gefördert.