Erforschung der Metastasierung

Unsere Arbeiten haben gezeigt, dass die Streuung von Tumorzellen früh in der Entwicklung einer malignen Erkrankung stattfindet. Häufig haben auch die disseminierten Tumorzellen (DCC) beim Verlassen des Primärtumors wichtige genetische Veränderungen (z.B. Mutationen) noch nicht erworben. Die entscheidenden  Forschungsfragen sind daher: Wie überleben diese Krebszellen am Entstehungsort einer Metastase? Wie erwerben sie die fehlenden und häufig kritischen genetischen Veränderungen? Welche Rolle spielt die Mikroumgebung bei diesem Prozess? Welche Zellen sind die Gründerzellen von Metastasen?

Wir untersuchen diese Fragen, indem wir:

• Zellstammbäume individueller Krebserkrankungen erstellen;
• Genexpressionsprofile einzelner disseminierter Tumorzellen erstellen und aktivierte Signalwege identifizieren;
• Mutationen von DCC katalogisieren, die für die verschiedenen Entwicklungsstufen von Metastasen charakteristisch sind;
• durch genetische Modifikation DCCs aus normalen Zellen generieren, um die Entwicklungsschritte nachzuvollziehen;
• Drug-screens mit den DCC-Modellen durchführen.

Unser Ziel ist es, wichtige Regulationsmechanismen der frühen Metastasenbildung zu identifizieren, um diese therapeutisch nutzbar zu machen und eine tödlich verlaufende Metastasierung von lebenswichtigen Organen zu verhindern.

Bioinformatische Analyse von DCCs (Dr. Huiqin Körkel-Qu)
Ein besonderer Schwerpunkt bei diesen Untersuchungen ist auch die Entwicklung und Anwendung bioinformatischer Ansätze zur Einzelzellanalyse. DCC sind sehr selten und ihr Phänotyp nach Verbreitung und Etablierung im Zielorgan ist weitgehend unbekannt. Da von der Ablösung der DCC bis zur tödlichen Metastasenbildung in der Regel Monate oder gar Jahrzehnte vergehen, bietet dieses Zeitfenster therapeutische Möglichkeiten, die Metastasierung durch frühzeitige Eliminierung der DCCs zu verhindern. Ein entscheidender Schritt hierfür ist die DCCs von anderen Zellen unterscheiden zu können und ihre molekularen Mechanismen zu verstehen. Daher ist unser Ziel, bioinformatische Methoden zu entwickeln, die eine zuverlässige Identifizierung von DCCs in verschiedenen Zielorganen der Metastasierung und die Erfassung ihrer genetischen Veränderungen ermöglichen.

Neue Zellmodelle für die Analyse der frühen systemischen Krebserkrankung (Kooperation mit Dr. Miodrag Guzvic, Experimentelle Urologie, Lehrstuhl für Urologie, Universität Regensburg)
Wir wissen noch sehr wenig über den Phänotyp von DCCs bei ihrer Ankunft im Zielorgan sowie über die Reaktion der DCCs auf die neue Mikroumgebung. Deshalb versuchen wir, die Biologie der DCCs im Kontext ihrer Mikroumgebung zu verstehen. Hierfür modellieren wir die metastatische Nische im Knochenmark und in Lymphknoten in vitro, um neue Ansätze zu entwickeln, mit denen das Ansprechen von DCCs auf neue Therapien untersucht werden kann.

Metastasen entwickeln sich aus einer Handvoll systemisch verbreiteter Krebszellen. Disseminierte Krebszellen (DCCs) epithelialer Krebsarten oder vom Melanom, lassen sich am besten in hämatopoetischen Organen oder lymphatischen Geweben identifizieren. Da Lymphknoten und Knochenmark jedoch Orte sind, an denen die primäre Immunantwort initiiert wird und das immunologische Gedächtnis residiert, müssen gestreute Krebszellen der Immunabwehr frühzeitig entkommen, indem sie entweder die anti-tumorale Immunantwort unterdrücken oder die Immun-Mikroumgebung in eine wachstumsfördernde Nische umwandeln. Darüber hinaus müssen DCCs wichtige genetische Veränderungen erwerben, die sie fit machen, um sich an die neue lokale Mikroumgebung anzupassen und eine Metastase zu gründen.

Um Krebszell-intrinsische und Faktoren der (Immun-) Mikroumgebung zu identifizieren, die während der frühen Phase der Metastasenbildung wichtig sind, setzen wir neueste Einzelzell-Sequenziertechnologien bei diagnostischen Patientenproben aus Knochenmark und Lymphknoten ein, wie auch zelluläre Assays und Multiparameter-Durchflusszytometrie. Zur funktionellen Untersuchung von Kandidaten-Mechanismen verwenden wir von Patienten-DCC abstammende Xenotransplantate und Immun-/Tumor-humanisierte Mausmodelle.

Im speziellen interessieren wir uns für Interaktionen zwischen DCCs und Immunzellen während der frühen Phase der Metastasenbildung, einschließlich der inter-zellulären Kommunikation über extrazelluläre Vesikel, Evolution von Neo-Antigenen und der Rolle von inflammatorischen Zytokinsignalen.

Migration und Proliferation sind ein sich gegenseitig ausschließender Phänotyp bei Krebszellen. Unsere Daten zeigen, dass sich Krebszellen aus frühen malignen Läsionen in einem Migrations-/Stammzellmodus befinden, während sich Krebszellen aus fortgeschrittenen Primärtumoren in einem proliferativen Modus befinden. Wir vermuten, dass bestimmte onkogene Signalwege den Wechsel zwischen Proliferation und Migration regulieren. Unsere Arbeit konzentriert sich daher auf die Rolle dieser Schaltmechanismen während der metastatischen Progression von Tumoren im frühen und fortgeschrittenen Stadium. Unser Ziel ist es, die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu verstehen: 

• bei der Streuung von Krebszellen aus frühen Primärläsionen (Schritt 1).
• beim Wechsel von Proliferation zur Migration in fortgeschrittenen Tumoren (Schritt 2). 
• beim Wechsel von Migration zur Proliferation während Gründung von Metastasen (Schritt 3).

Einzelzell-Sequenziertechnologien ermöglichen es, die Komplexität von Zellpopulationen mit einem noch nie dagewesenen Grad an Auflösung zu erforschen. In der Krebsforschung werden Einzelzell-Sequenzierungsansätze angewendet, um sowohl die Inter- als auch die Intratumor-Heterogenität zu analysieren, aber auch um evolutionäre Prozesse aufzudecken und zu verfolgen, die im Verlauf der Krebsprogression auftreten. 

Krebszellen, die im frühen Stadium der Erkrankung oder nach einer Therapie in Organen fernab vom Primärtumor verborgen sind oder im Blut zirkulieren, zeichnen sich durch ihre äußerst geringe Häufigkeit und hohe genetische Heterogenität aus. Dies macht die Analyse dieser Krebszellen technisch so herausfordernd und erfordert hochpräzise, sensitive und robuste analytische Methoden. 

Molekulare Einzelzell-Profiling-Assays konzentrierten sich bislang auf die Analyse einer einzigen molekularen Ebene des genregulatorischen Netzwerks, z.B. auf das Genom, Epigenom, Transkriptom oder Proteom. Jedoch liefert diese Art der Analyse ein unvollständiges Bild der Genexpressionsdynamik und des zellulären Zustands. Wir arbeiten daher an einem Einzelzell-Sequenzierungs-Multiomics-Workflow, um eine hochpräzise, parallele Analyse von mehreren molekularen Ebenen gestreuter oder zirkulierender Krebszellen zu ermöglichen. Dieser Ansatz wird uns einen tieferen Einblick in die molekularen Mechanismen während der frühen Phase einer Krebserkrankung oder bei der minimalen Resterkrankung ermöglichen und neue therapeutische Möglichkeiten aufzeigen.