Vorwort
Nachfolgend möchten wir Ihnen einen kurzen Überblick über unser aktives Forschungsgebiet vermitteln, das auf der bisherigen
Forschungstätigkeit von Dr. Günter Schwamberger am Max-Planck-Institut für Immunbiologie in Freiburg und der Universität Salzburg aufbaut.
Wie schon auf der Seite „Grundlagen“, haben wir uns bemüht, die teilweise sehr komplexen Zusammenhänge in einer vereinfachten, populärwissenschaftlichen
Form darzustellen. Auch hier finden Sie, soweit möglich, Verknüpfungen zu externen Informationsquellen wie Wikipedia (gekennzeichnet
als [W]) und anderen öffentlich zugänglichen Daten. Darüber hinaus finden Sie im Text, soweit sinnvoll, auch Literaturverweise zu
ausgewählten wissenschaftlichen Originalarbeiten, die jedoch in der Regel in englischer Sprache verfasst sind. Eine Liste dieser Literaturverweise
finden Sie im Anschluss an den Text, soweit möglich ebenfalls mit den Verknüpfungen zu den entsprechenden Webseiten (Zugang teilweise
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1. Krebsabwehr durch das angeborene Immunsystem
- Eine alte Geschichte in neuem Licht -
1.1. Historisches
1.2. Tumor Nekrose Faktor – Ein folgenreicher Irrtum der Wissenschaft
1.3. MTC
170 - Ein neuer, alter TNF?
1.5. Immunologische Konsequenzen der Tumor-Zerstörung durch MTC 170
1.6. Zukunftsvisionen
2.
Literaturverweise
1. Krebsabwehr durch das angeborene Immunsystem
- Eine alte Geschichte in neuem Licht
-
1.1. Historisches <
Vor etwa 150 Jahren machte der deutsche Chirurg Wilhelm Busch die eher zufällige Beobachtung der dramatischen
Schrumpfung eines inoperablen Tumors als Folge einer schwerwiegender postoperativen bakteriellen Infektion, einer sogenannten Wundrose [W] [1].Diese Entdeckung führte in der Folge zu einer Reihe von Versuchen zur Behandlung von Krebserkrankungen durch bewusst herbeigeführte
Infektionen. Trotz einzelner Erfolge war dieses Therapieverfahren jedoch aufgrund der unabsehbaren Risken von Infektionen in einer
Zeit ohne Antibiotika praktisch nicht anwendbar. Dies führte rasch zu Versuchen, die Infektionen durch Verabreichung abgetöteter Bakterien
zu ersetzen. Doch auch diese, von dem amerikanischen Chirurgen William Coley [W] eingeführte, grundsätzlich sehr erfolgreiche Behandlungsmethode [2, 3] erwies sich aufgrund teils lebensbedrohlicher Nebenwirkungen, die wir heute als Symptome des septischen Schocks [W] kennen,
als wenig praktikabel. Daraufhin angestellte Versuche, die Antitumor-wirksamen Bestandteile von Bakterienextrakten von vermeintlich
toxischen Begleitsubstanzen abzutrennen blieben erfolglos, führten jedoch in den vierziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts zur
Isolierung und chemischen Charakterisierung der sogenannten bakteriellen Endotoxine [W], Bestandteilen der Zellwand Gram-negativer Bakterienarten [W], welche aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung heute als Lipopolysaccharide, kurz LPS, [W] bezeichnet werden.
Entgegen den ursprünglichen Erwartungen zeigten diese Substanzen jedoch keine direkte Wirkung auf isolierte Krebszellen, sodass die Vermutung nahelag, dass LPS nur als Auslöser einer körpereigenen Abwehrreaktion gegen Tumoren fungiert. Die Bestätigung für die Richtigkeit dieser Annahme wurde Anfang der sechziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts durch den Nachweis der Übertragbarkeit der Antitumor-Effekte von LPS durch einen Faktor im Serum [W] LPS-behandelter Tiere erbracht [4]. Kurze Zeit später wurde eine weitere bemerkenswerte Entdeckung gemacht, und zwar, daß bestimmte, als Makrophagen bezeichnete Zellen des Immunsystems nach Stimulation durch LPS in der Lage sind ein breites Spektrum verschiedenartiger Tumorzellen spezifisch zu zerstören (siehe dazu Grundlagen, Kapitel 3.1), und diese Antitumor-Aktivität, zumindestens teilweise, durch einen von Makrophagen freigesetzten Faktor vermittelt wird (siehe historische Übersicht in Abb. 1).
Abb.
1. Historische Übersicht über die wichtigsten wissenschaftlichen Meilensteine zur Spontanheilung von Krebs durch Infektionen.
1.2.
Tumor Nekrose Faktor – Ein folgenreicher Irrtum der Wissenschaft <
Diese Befunde gingen allerdings vorerst einmal im Wissenschaftsbetrieb
unter, lösten dann aber, mit der bemerkenswerten Verzögerung von mehr als 10 Jahren, einen dramatischen Wettlauf dreier amerikanischer
Arbeitsgruppen zur Identifizierung dieses Faktors aus. So wurde in der Folge ein als Tumor Nekrose Faktor, kurz TNF, [W] bezeichneter
körpereigener Antitumor-Wirkstoff aus der Kulturflüssigkeit aktivierter Makrophagen und wenig später auch aus dem Serum LPS-behandelter
Tiere isoliert, biochemisch charakterisiert und zu Beginn der achtziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts bereits gentechnisch hergestellt
[5]. Wie sich jedoch rasch herausstellte, war das gleiche Molekül unabhängig davon bereits unter dem Namen Cachectin von einer
weiteren Arbeitsgruppe in Zusammenhang mit der Auslösung des septischen Schocks durch LPS isoliert worden [6].
Obwohl dieses Molekül
lange Zeit als der gesuchte Antitumor-Faktor angesehen wurde, zeigten sich dennoch bald unerwartete Diskrepanzen zwischen den ursprünglichen
biologischen Befunden und den beobachteten Wirkungen von isoliertem TNF, insbesondere hinsichtlich der völlig unerwarteten lebensbedrohlichen
Effekte dieses Faktors [7], der heute als entzündungsförderndes Cytokin und einer der Schlüsselmediatoren des septischen Schocks,
also der akut toxischen Wirkungen von LPS, gilt. Darüber hinaus zeigte TNF, im Gegensatz zu aktivierten Makrophagen und den Sera LPS-behandelter
Tiere, unter Zellkulturbedingungen auch nur sehr eingeschränkte Wirksamkeit gegenüber einzelnen wenigen Krebszellarten. Letztlich
stellte sich heraus, dass die beobachtete, begrenzte Antitumorwirkung von TNF in der Regel nicht auf einer direkten Zerstörung der
Krebszellen, sondern auf einer Zerstörung der Blutgefäße im Zentrum eines Tumors, einer sogenannten hämorrhagischen Nekrose [W], beruht,
wodurch die Krebszellen zwar vorübergehend, von der Blutversorgung abgeschnitten werden, der Tumor jedoch dabei nur in seinem Zentrum
zerstört wird und nach kurzer Zeit ungehindert weiter wächst [8].
Hatte man TNF bis dahin als biologisches Wundermittel und „magische
Kugel“ gegen Krebszellen betrachtet, so führten diese enttäuschenden Befunde zu einem raschen Erlahmen des Interesses an der körpereigenen
Krebsabwehr durch Makrophagen. Inzwischen hat sich, durch den Nachweis der zentralen Rolle von TNF in der Krebsentstehung und Metastasierung,
das Bild des vermeintlichen Tumor Nekrose Faktors vollends zu dem eines Tumor-fördernden Faktors gewandelt [9]. Womit allerdings die
ursprüngliche Frage, nämlich wie die Antitumorwirkung von bakteriellen Infektionen bzw. LPS zustande kommt, weiterhin ungeklärt blieb.
1.3.
MTC 170 - Ein neuer, alter TNF? <
Ausgehend von diesen Befunden begann sich die Arbeitsgruppe von Dr. Günter Schwamberger am Max-Planck-Institut
für Immunbiologie in Freiburg Ende der achtziger Jahre erneut mit den Mechanismen der durch LPS ausgelösten körpereigenen Krebsabwehr
zu beschäftigen. Hierbei gelang der Nachweis eines “neuen”, d.h. eindeutig von TNF unterscheidbaren Antitumor-Faktors in der Kulturflüssigkeit
aktivierter Makrophagen, sowohl im Tiermodell [10, 11] als auch bei menschlichen Makrophagen [12, 13] (Abb. 2).
Dieser bislang als hochmolekulares Protein charakterisierte und daher vorläufig als MTC 170 (für Makrophagen-Tumor-Cytotoxin, Molekulargewicht ca. 170 KiloDalton) benannte Faktor zeigt, im Gegensatz zu TNF, selektiv zelltoxische Wirkung gegenüber einer Vielzahl tierischer und auch menschlicher Tumorzell-Arten in Zellkultur, jedoch keine offensichtliche Beeinträchtigung normaler, nicht transformierter Zellen (Abb. 3 und Abb. 4).
Abb. 2. Biochemische Charakterisierung der tumorcytotoxischen Aktivität in der Kulturflüssigkeit von aktivierten
Maus-Makrophagen (a) bzw. menschlichen Makrophagen (b) durch Auftrennung nach der Molekülgröße (Mr = molekulare Masse in KiloDalton
(kDa); Void = Auschlußvolumen des Trägermaterials, hier größer als 1000 kDa; A 280 = Photometrische Erfassung der Proteinverteilung)
(© G. Schwamberger)
Abb. 3. Mikroskopische Aufnahme der Zerstörung von Krebszellen durch MTC 170.
Linkes Bild: Unbehandelte,
lebende Krebszellen (dunkelblau gefärbt). Rechtes Bild: Überreste durch MTC 170 zerstörter Krebszellen (ungefärbt).
(© G. Schwamberger)
Abb
4. Empfindlichkeit normaler Zellen bzw. verschiedener Krebszellen der Maus und des Menschen gegenüber der Wirkung von MTC 170 im Vergleich
zu TNF.
(© G. Schwamberger)
Überraschenderweise ergab die anfängliche funktionale und biochemische Charakterisierung dieser Aktivität
weitestgehende Übereinstimmungen mit den ursprünglichen Befunden zur TNF-Aktivität, insbesondere mit der in den Sera LPS-behandelter
Mäuse beschriebenen Antitumor-Aktivität [14, 15] (siehe dazu auch Abb. 6). Es lag daher die Vermutung nahe, dass es sich bei MTC 170
um den eigentlich gesuchten Antitumor-Faktor handeln könnte.
Ausgehend von dieser Hypothese ist es in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe
von Dr. Marina Freudenberg und Dr. Chris Galanos schließlich gelungen, MTC 170 Aktivität auch im Serum LPS-behandelter Mäuse nachzuweisen.
Interessanterweise erfolgt die Freisetzung dieses Faktors ins Serum mit merklicher Verzögerung gegenüber der vergleichsweise sehr
raschen, aber vorübergehenden Ausschüttung von TNF, sodass in den von uns als “späte” Tumor-Nekrose-Sera bezeichneten Serumproben
zwar MTC 170 Aktivität, jedoch keine TNF-Aktivität nachweisbar ist [16, 17]. Diese Sera zeigen neben der schon erwähnten zelltoxischen
Wirkung auf verschiedene kultivierte Tumorzellen auch markante Wirkung gegenüber experimentellen Tumoren im Tiermodell. So konnte
in den bisherigen Experimenten durch einmalige Verabreichung dieser Sera sowie von teilweise gereinigtem MTC 170 eine vollständige
und dauerhafte Heilung fortgeschrittener Tumoren in etwa 90% der Fälle erzielt werden, wobei keine offensichtlichen toxischen Nebenwirkungen
zu beobachten waren [17] (Abb. 5).
Abb. 5. Zerstörung eines experimentellen Tumors der Maus durch einmalige intravenöse
Injektion von MTC 170-haltigem „spätem“ Tumor-Nekrose-Serum, am Tag 7 (d 7) nach Beginn des Tumorwachstums. Die Bilderserie zeigt
die vollständige Heilung des Tumors in MTC 170-behandelten Tieren innerhalb von 2 Wochen (d 21), im Vergleich mit dem fortschreitenden
Tumorwachstum in unbehandelten Tieren.
(© G. Schwamberger)
Diese Befunde, und der unmittelbare Vergleich zwischen den ursprünglichen Befunden zur TNF-Aktivität und dem später als TNF isolierten Molekül (siehe Abb. 6), legen den Schluss nahe, dass es sich bei MTC 170, im Gegensatz zu TNF, tatsächlich um den ursprünglich gesuchten „Tumor Nekrose Faktor“, und letztendlich entscheidenden Faktor der Makrophagen-vermittelten, körpereigenen Krebsabwehr handelt.
Abb. 6. Vergleich der Eigenschaften des 1975 ursprünglichen
beschriebenen „Tumor Nekrose Faktors“ [14, 15] mit TNF und MTC 170.
in vitro: in Zellkultur; in vivo: im Versuchstier; Regression:
Schrumpfung der Tumormasse; Systemische Toxizität: Schwerwiegende, körperweite Nebenwirkungen bis zum septischen Schock.
(© G. Schwamberger)
1.4.
Eine neue Rolle für TNF <
Hieraus ergab sich nun natürlich auch die Frage, ob und in welcher Weise TNF überhaupt von Bedeutung für
diese Reaktion ist. Ausgehend von der Beobachtung, daß TNF-Aktivität etwa 7 bis 8 Stunden vor MTC 170 im Serum LPS-behandelter Tiere
nachweisbar ist und der mittlerweile auch bekannten aktivierenden Wirkung dieses entzündungsfördernden Cytokins auf Makrophagen, lag
die Vermutung nahe, dass es sich bei TNF möglicherweise um einen körpereigenen Auslöser für die Freisetzung von MTC 170 durch Makrophagen
handeln könnte. Tatsächlich konnte in den nachfolgenden Experimenten die Schlüsselrolle dieses Cytokins als körpereigenes Signal für
die Ausschüttung von MTC 170 nachgewiesen werden, wobei TNF hierfür allerdings der Hilfe eines zweiten Schlüsselcytokins des Immunsystems, Interferon-gamma [W], bedarf
[18, 19]. Somit dürfte TNF, entgegen der bisherigen Auffassung, in erster Linie eine indirekte Funktion in der körpereigenen
Tumorabwehr, im Sinne eines zwischengeschalteten Signals, zukommen, wodurch auch die bisher widersprüchlichen Befunde zur diesbezüglichen
Rolle von TNF eine großteils einfache Erklärung finden.
Gleichzeitig zeigten weitere Experimente, daß beide Cytokine vorallem für die
Vorsensibilisierung der Tiere gegenüber LPS verantwortlich sind, wohingegen insbesondere TNF für die unmittelbare Ausschüttung von
MTC 170 nach LPS-Behandlung offensichtlich nicht zwingend benötigt wird [Schwamberger et al., unveröffentlichte Ergebnisse]. Dies
könnte in Zukunft Möglichkeiten für eine gezielte Auslösung der Produktion von MTC 170 durch LPS, unter gleichzeitiger Ausschaltung
von TNF, und somit dem Mediator der endotoxischen Wirkung von LPS, erschließen. In diesem Sinne bietet sich, aufgrund der vorliegenden
Daten, erstmals die Chance für eine therapeutische Anwendung der Antitumor-Wirkung von LPS unter gleichzeitiger Vermeidung der TNF-vermittelten
endotoxischen Effekte, also gewissermaßen ohne „Nebenwirkungen“, womit ein Wunschtraum William Coleys und mehrerer Generationen von
Wissenschaftern nach ihm in greifbare Nähe gerückt ist.
1.5. Immunologische Konsequenzen der Tumor-Zerstörung durch MTC 170 <
Angesichts
der hohen therapeutischen Effizienz im Tiermodell, hat die Arbeitsgruppe von Dr. Schwamberger, nunmehr an der Universität Salzburg,
begonnen, die Wirkmechanismen von MTC 170 näher zu untersuchen. Hierbei zeigte sich, dass MTC 170, im Gegensatz zu vielen Formen der
konventionellen Chemotherapie, keinen programmierten Zelltod, sondern bevorzugt eine Form des nekrotischen Zelltodes der betroffenen
Krebszellen bewirkt [20]. Dieses Phänomen stellt möglicherweise den Schlüssel zum Verständnis der außergewöhnlich hohen therapeutischen
Wirksamkeit von MTC 170 dar, da diese Art des Zelltodes, im Gegensatz zum programmierten Zelltod, ein Alarmsignal für den Organismus
darstellt, das weitere spezifische Abwehrreaktionen des Immunsystems gegen Strukturen der abgetöteten Krebszellen nach sich zieht
(siehe dazu Grundlagen, Kapitel 3.2). D. h. dass diese so abgetöteten Krebszellen letztlich als spezifischer Impfstoff fungieren
und eine dauerhafte Immunität gegen die entsprechenden Krebszellen bewirken, was wiederum für die Ausschaltung von verbliebenen Metastasen
von entscheidender Bedeutung ist. Tatsächlich zeigte sich, dass durch MTC 170 geheilte Versuchstiere selbst nach Monaten neuerliche
Tumortransplantate sofort und vollständig abstoßen [17].
Wir sind daher der Überzeugung, dass die weitere Entschlüsselung dieses körpereigenen
Tumorabwehr-Prinzips völlig neue, hochwirksame Alternativen zu konventionellen Therapieverfahren erschließen wird.
1.6. Zukunftsvisionen
<
Welche Bedeutung haben nun diese, vor allem am Tiermodell gewonnenen Befunde für das Verständnis dieser ja ursprünglich
erstmals an Krebspatienten beobachteten Abwehrreaktion und eine potentielle therapeutische Anwendung beim Menschen?
Die fast völlige
Übereinstimmung der bisherigen experimentellen Daten bezüglich MTC 170 Aktivität im Tiermodell und beim Menschen lässt auf eine weitgehende
Übertragbarkeit der gewonnenen tierexperimentellen Befunde auf die Mechanismen der körpereigenen Tumorabwehr beim Menschen schließen.
Obgleich dies, wie wir glauben, berechtigten Anlass zu der Hoffnung gibt, diese Erkenntnisse für eine therapeutische Anwendung bei
Krebserkrankungen nutzen zu können, bedarf dies zweifellos noch weiterer intensiver Forschungsarbeit. Ziel unserer weiteren experimentellen
Arbeit ist vor allem die Isolierung und biochemische Charakterisierung der dieser Aktivität zugrundeliegenden Moleküle als Vorraussetzung
für die als Fernziel angestrebte therapeutische Anwendung bei Krebserkrankungen. Außerdem hoffen wir auf diese Weise Aufschluss über
die der tumorspezifischen Wirksamkeit zugrunde liegenden molekularen und zellbiologischen Mechanismen zu gewinnen, und diese damit
vielleicht therapeutisch nutzbar machen zu können. Nicht zuletzt gilt unser Interesse aber auch der weiteren Erforschung der biologischen
Regelkreise, die die Produktion und Freisetzung dieses Faktors durch Makrophagen steuern, um eine gezielte Aktivierung dieses körpereigenen
Tumorabwehrprinzips als Krebsprävention und als „biologische“ Krebstherapie zu ermöglichen.
2. Literaturverweise <
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ärztlicher Gesellschaften. Berliner Klin. Wochenschr. 23:245-246. [freies pdf] <
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15. Green, S., Dobrjansky, A., Carswell,
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19. Schwamberger, G., Hammerl, P., Freudenberg,
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20. Reiter,