Forschungsprojekte

Hinter dem Brustbein ist ein wichtiges Organ des (lymphatischen) Immunsystems lokalisiert: der Thymus. Er ist vor allem bei Kindern aktiv, spielt jedoch auch beim Erwachsenen noch eine Rolle. Hier werden die Abwehrzellen des Immunsystems, die T-Lymphozyten, geprägt, damit sie zwischen körpereigener Substanz und fremden Erregern unterscheiden können. Vor allem die regulatorischen T-Zellen spielen auch eine Schlüsselrolle beim körpereigenen Kampf gegen entartete Krebszellen. Normalerweise werden diese vom Immunsystem am abweichenden Profil erkannt und eliminiert. Damit ein bösartiger Tumor entstehen kann, muss das Immunsystem überlistet werden. Das gelingt der Krebszelle mit Hilfe von regulatorischen T-Zellen, durch die eine Immunantwort unterdrückt wird und der Tumor ungestört wachsen kann.

Dieses Projekt führen wir gemeinsam mit Prof. Dr. Nina Babel und Prof. Dr. Timm Westhoff und ihrer Arbeitsgruppe im Marien Hospital Herne durch. Wir wollen durch Blutuntersuchungen von bestrahlten Krebspatienten erforschen, ob diese Bestrahlung das Profil der T-Zellen, insbesondere der regulatorischen T-Zellen verändert. Geeignet sind hierfür flächige Bestrahlungen im Mediastinum, dem oberen Brustbereich, bei denen der Thymus mitbestrahlt wird. Wir erhoffen uns davon neue Erkenntnisse zur Optimierung von Immuntherapien, die eine große Hoffnung darstellen in der zukünftigen Behandlung von Krebserkrankungen.

Gelingt es den Tumorzellen in das Gefäßsystem einzudringen, können diese sich im ganzen Körper verteilen und entfernt vom primären Tumor Tochtergeschwülste (Metastasen) bilden. Dieser Prozess verläuft in 2 Stufen, die wir beide erforschen. Zunächst muss sich die im Blutfluss treibende Tumorzelle an die Gefäßwand anheften. Dies geschieht mit Hilfe von Adhäsionsproteinen an der Oberfläche der Tumorzelle, wie auch der Endothelzelle in der Gefäßwand.

Wenn sich eine Tumorzelle dann festgesetzt hat, muss sie noch die Gefäßwand durchdringen, ehe sich eine Metastase entwickeln kann. Hierfür kann die Zelle einen normalen physiologischen Weg nutzen, auf dem bei einer Entzündung Leukozyten den Blutkreislauf verlassen und in das umliegende Gewebe eindringen. Oder aber die Tumorzelle bahnt sich ihren Weg durch die Gefäßwand, indem sie diese durch ausgeschüttete Proteasen punktuell auflöst. Es gibt Hinweise darauf, dass Strahlen diese Vorgänge verändern können.

In unserem Projekt untersuchen wir, wie eine therapeutische Bestrahlung diese Prozesse beeinflusst und ob Ansatzpunkte für effektivere Therapien gefunden werden können.

In diesem, von der Volkswagenstiftung geförderten Projekt, untersuchen wir gemeinsam mit hochkarätigen Forschergruppen der Universitäten in Bochum, Leipzig, Ulm und Würzburg, ob und wie Nanodiamanten als Trägermaterial in Therapie und Diagnostik eingesetzt werden können.

Nanodiamanten sind sehr kleine Partikel von ca. 10-100 nm Durchmesser. Eine Körperzelle ist 300-1000 mal größer. Daher können sie Bereiche des Körpers erreichen, die für größere Strukturen verschlossen sind. Deshalb eröffnen sich potentielle diagnostische und therapeutische Möglichkeiten. Diese Diamanten sind zwar winzig klein, ansonsten aber echte Diamanten, d. h. außergewöhnlich stabil und reaktionsträge. Daher ist zu erwarten, dass sie für den Körper ungiftig sind. Um zu klären, ob dies tatsächlich so ist, untersuchen wir an Zellmodellen die Biokompatibilität von inkorporierten Nanodiamanten.

Weiterhin erforschen wir, ob diese Nanodiamanten in der Strahlentherapie eingesetzt werden könnten. Ein Teilbereich der Strahlentherapie ist die sogenannte Brachytherapie (von griechisch: brachys = nah), bei der Tumore bekämpft werden, indem man strahlende Sonden direkt ins Gewebe bringt, statt von außen zu bestrahlen. In unseren Untersuchungen beladen wir die Nanodiamanten mit einem strahlenden Phosphor-Isotop mit sehr kurzer Halbwertszeit und bringen sie direkt in Krebszellen. Durch die geringe Distanz genügen schon außerordentlich kleine Strahlendosen, um die Zelle zu zerstören.

Es gibt viele Theorien darüber, wie Krebs entstehen kann. Eine neuere Theorie der Krebsentstehung besagt, dass bösartige Tumore nur aus Krebszellen mit Stammzelleigenschaften entstehen können. Das ist eine wichtige Erkenntnis, da das Schicksal von Krebspatienten in erster Linie vom Wiederaufflammen der Krankheit nach Therapie, der Bildung von lokalen Rezidiven und entfernten Metastasen bestimmt wird. Gemäß der Stammzellhypothese können auch diese nur aus Tumorstammzellen entstehen und nicht aus der großen Masse der „normalen“ Krebszellen. Diese Stammzellen sind wesentlich resistenter gegen die bisherigen Standardbehandlungen, so dass besser geeignete Therapien gefunden werden müssen.

In unserem Projekt untersuchen wir eine Stoffklasse näher, der eine selektive Hemmung von Tumorstammzellen zugeschrieben wird. Es handelt sich dabei um Ionophore für einwertige Kationen vom Salinomycin-Typ. Diese Substanzen ermöglichen Natrium und Kalium die freie Passage durch die Zellmembran. Das ist fatal für die Zelle, da sie für ihre physiologische Funktion darauf angewiesen ist, in ihrem Inneren einen hohen Überschuss an Kalium gegenüber der umgebenden Körperflüssigkeit aufrecht zu erhalten. Dafür gibt es Transportproteine, deren Kapazität jedoch begrenzt ist, so dass ein Zuviel an Ionophor die Zelle abtöten kann. Tumorstammzellen scheinen hier weniger Gegenwehr leisten zu können. Unsere Forschung hat das Ziel, die zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären, damit neue und bessere Wirkstoffe gegen Tumorstammzellen gefunden werden können.

Zusätzlich untersuchen wir in diesem Zusammenhang noch Metformin, ein etabliertes Diabetes-Medikament, dem ebenfalls Wirksamkeit gegen Tumorstammzellen zugeschrieben wird. Wir möchten wissen, ob synergistische Effekte beobachtet werden, wenn Metformin und Salinomycin gemeinsam verabreicht werden, ob sie also ihre Wirksamkeit gegenseitig verstärken können.

Bösartige Zellen können ihren Standort im Gewebe wechseln. Diese Eigenschaft bezeichnen wir als Motilität. Wir konnten zeigen, dass bestimmte Krebszellen nach Bestrahlung mit therapeutischen Dosen eine erhöhte Motilität, (Beweglichkeit und Wanderungsgeschwindigkeit) entwickeln. Das ist ein sehr unerwünschter Effekt der Behandlung, da dann bösartige Zellen eher metastasieren könnten, falls sie die Strahlenbehandlung überleben. Tatsächlich zeigt die klinische Praxis, dass nach Bestrahlung keine erhöhte Metastasierung beobachtet wird, jedoch könnten die Heilungsraten einer Strahlentherapie eventuell noch höher sein, wenn man diese Migrationssteigerung verhindern könnte.

Wir untersuchen daher die zugrundeliegenden Mechanismen und konnten bisher zeigen, dass der zelluläre Botenstoff VEGF hierbei eine Rolle spielt, jedoch nicht alleine verantwortlich sein kann. In unserem Projekt untersuchen wir die genauen Schritte, mit denen VEGF zu mehr zellulärer Beweglichkeit führt, insbesondere das Geschehen am Kontaktpunkt der Zellen mit ihrem basalen Untergrund. Hier werden die Signale aus dem Zellinneren auf einen zentralen Enzymkomplex übertragen, die Focal Adhesion Kinase, die ihrerseits Integrine steuert, jene Proteine, mit denen sich die Zelle am Bindegewebe festhält.

Da das VEGF-Signalling nicht alleine für die strahleninduzierte Motilitätssteigerung verantwortlich sein kann, untersuchen wir außerdem, ob bioaktive Lipide eine Rolle spielen könnten. Lipide werden gemeinhin nur als intrazelluläre Energiespeicher wahrgenommen, es wird jedoch zunehmend deutlich, dass sie auch wichtige regulatorische Funktionen im Zellmetabolismus besitzen. Seit kurzem weiß man, dass ein wichtiges Lipid der Zellmembran, Sphingosin-1-Phosphat, an der Wanderung von Krebszellen beteiligt ist und wir wollen aufklären, ob es eventuell auch am Geschehen nach Bestrahlung beteiligt sein könnte.

Der chirurgischen Entfernung eines Mammakarzinoms folgt häufig eine postoperative Bestrahlung mit einer radioaktiven Quelle (Brachytherapie). Beim MammoSite-Verfahren wird dazu ein sphärischer Silikonballon in die Brust eingeführt und mit einer NaCl-Lösung gefüllt. Über einen Zeitraum von etwa fünf Tagen wird in mehreren Sitzungen eine 192Iridium-Quelle mit hoher Aktivität durch einen Katheter in den Ballon geführt (Afterloading), um die restlichen Tumorzellen in der Kavität zu bestrahlen.

Die am weitesten verbreiteten Programme, die zur Bestrahlungsplanung in der Brachytherapie genutzt werden, berücksichtigen zur Dosisberechnung keine Dichteinhomogenitäten. Der Einsatz des Kontrastmittels, das Auftreten von Lufteinschlüssen oder die Berechnung der Dosis in oberflächennahen Strukturen kann daher eine fehlerhafte Dosisberechnung zur Folge haben. Die aus den Vereinfachungen resultierenden Dosisabweichungen wurden bereits in einigen Publikationen einzeln untersucht. Da jedoch eine Abhängigkeit zwischen den einzelnen Einflüssen besteht, werden in unserem Projekt diese Ergebnisse zusammengeführt und unter der Verwendung von Monte-Carlo-Simulationen überarbeitet, um die Qualität der Planung zu verbessern. Unabhängig vom Ballonradius treten bisher Abweichungen von über 10 % auf, was insbesondere im Bereich des Zielvolumens, der Haut und den Rippen gravierende Folgen haben kann. Zukünftig können die Abweichungen mit Hilfe von Funktionen in Abhängigkeit vom Ballonradius, Größe des Lufteinschlusses und Abstand zur Haut besser abgeschätzt werden.

Die kommerziellen zur Planung der Bestrahlung benutzten Rechenprogramme verwenden unterschiedliche Rechenverfahren, die so ausgerichtet sind, dass die technischen Anforderungen erfüllt werden. Zur Kontrolle dieser Algorithmen wird die weltweit angewandte Monte-Carlo-Methode verwendet. In dieser Arbeit wird untersucht, ob die Verifikation von MammoSite-Bestrahlungsplänen mithilfe eines 2D-Ionisationskammer-Arrays möglich ist. Dazu werden Dosisverteilungen mit Messungen, dem Bestrahlungsplanungsprogramm BrachyVision und Monte-Carlo-Simulationen erstellt und ausgewertet. Die anhand von Messungen mit dem 2D-Detektor-Array ermittelten Dosisverteilungen stimmen im klinisch relevanten Feldbereich gut mit den berechneten Verteilungen aus BrachyVision überein. Die Abweichungen liegen hier unter 5 %. Die Abweichung der gemessenen und in BrachyVision berechneten Verteilungen zu den Monte-Carlo-Simulationen liegen unter 3 %. Das 2D-Detektor-Array ermöglicht eine neue Verifikationsmethode für MammoSite-Bestrahlungspläne mit ausreichender Genauigkeit. Zukünftige Verifikationen sind ohne zusätzliche Monte-Carlo-Simulationen durchführbar, was den Arbeits- und Zeitaufwand deutlich reduziert.

Das Zervixkarzinom ist die vierthäufigste Krebserkrankung der Frau. Bei dieser gynäkologischen Erkrankung kommt es zu einer malignen Entartung des Gebärmutterhalses. Die Behandlung eines Zervixkarzinoms beinhaltet häufig eine Brachytherapie, bei der eine radioaktive Quelle in den Körper eingeführt wird. Mit Hilfe eines zylinderförmigen Vaginalapplikators, der kuchenstückartig mit Abschirmungen ausgefüllt werden kann, wird die verwendete Iridium-192-Quelle unter Verwendung des Afterloading-Verfahrens in den Applikator in die Nähe des zu bestrahlenden Gewebes gefahren und Normalgewebe geschont. Ziel dieser Arbeit ist, die 3D-Brachytherapie-Bestrahlungsplanung anhand von Monte-Carlo-Simulationen und eines 2D-Detektor-Arrays im Bezug auf die berechnete Dosis zu verifizieren. Zu diesem Zweck wird die Dosisverteilung mit dem Vaginalapplikator in einem Wasserphantom gemessen, einer Apparatur, die menschliches Gewebe und dessen Strahlenabsorption möglichst gut nachbildet. Die Dosisverteilung aus Simulation und Bestrahlungsplan wird dann mit den Messergebnissen verglichen, um deren Qualität zu überprüfen.

Die Qualität von Bestrahlungsplänen stellt ein zentrales Element in der Qualität der Strahlentherapie dar. Aus diesem Grund muss vor der Bestrahlung eine Beurteilung der Qualität jedes einzelnen Bestrahlungsplans erfolgen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, mit dem möglichst automatisiert die Gesamtqualität eines Bestrahlungsplans objektiv beurteilt werden kann. Hierzu werden u. a. objektive Kriterien wie der Konformitäts- und der Homogenitätsindex sowie definierte Dosisgrenzen für die Risikoorgane verwendet. Ziel ist es, ein Scoringsystem für die einzelnen Bestrahlungspläne zu entwickeln, um die Gesamtqualität bestimmen zu können.