Neuer Phänotyp für Krebszellen

Forschende nutzen die phänotypische Plastizität von Krebszellen

26. Oktober 2023

Krebszellen können ihren Phänotyp ändern. Dadurch können sie sich im Körper stärker ausbreiten und sich oft einer Behandlung entziehen. Forschende des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön haben mithilfe eines mathematischen Modells untersucht, wie Krebszellen ihren Phänotyp verändern. Durch die Manipulation dieser Veränderung können Krebszellen in einen weniger schädlichen Phänotyp gebracht werden, der besser auf Behandlungen reagiert.

Mathematisches Modell zur Tumorheterogenität und Phänotypveränderung: Eine detaillierte Analyse. — Darstellung des mathematischen Modells zur Beschreibung der phänotypischen Heterogenität des primären Tumors und seiner Metastasen. Die verschiedenen Kompartimente im Modell repräsentieren epitheliale, hybride und mesenchymale Phänotypen. Der epitheliale Phänotyp ist durch sein schnelles Wachstum gefährlicher als der mesenchymale. Der epitheliale Phänotyp kann mit der Rate in den angrenzenden, mesenchymaleren Hybridphänotyp übergehen, und der mesenchymale Phänotyp kann mit der Rate in den angrenzenden epithelialeren Hybridphänotyp wechseln. Das Modell nimmt kompetitives Wachstum heterogener Tumorzellpopulationen an jeder Tumorstelle an. Die durchgezogenen Pfeile stellen dieses Wachstum und die Phänotypübergänge dar. Hier wird nur ein Hybridphänotyp gezeigt, während die Studie auch die Auswirkung einer größeren Anzahl von Hybridphänotypen untersucht. Der gestrichelte Pfeil stellt die Ausbreitung von Krebszellen zwischen primärem Tumor und sekundärem Wachstum da, welche über unterschiedliche anfängliche Phänotypverteilungen abgebildet wird.

© MPI für Evolutionsbiologie

Darstellung des mathematischen Modells zur Beschreibung der phänotypischen Heterogenität des primären Tumors und seiner Metastasen. Die verschiedenen Kompartimente im Modell repräsentieren epitheliale, hybride und mesenchymale Phänotypen. Der epitheliale Phänotyp ist durch sein schnelles Wachstum gefährlicher als der mesenchymale. Der epitheliale Phänotyp kann mit der Rate in den angrenzenden, mesenchymaleren Hybridphänotyp übergehen, und der mesenchymale Phänotyp kann mit der Rate in den angrenzenden epithelialeren Hybridphänotyp wechseln. Das Modell nimmt kompetitives Wachstum heterogener Tumorzellpopulationen an jeder Tumorstelle an. Die durchgezogenen Pfeile stellen dieses Wachstum und die Phänotypübergänge dar. Hier wird nur ein Hybridphänotyp gezeigt, während die Studie auch die Auswirkung einer größeren Anzahl von Hybridphänotypen untersucht. Der gestrichelte Pfeil stellt die Ausbreitung von Krebszellen zwischen primärem Tumor und sekundärem Wachstum da, welche über unterschiedliche anfängliche Phänotypverteilungen abgebildet wird.

© MPI für Evolutionsbiologie

Die mathematische Onkologie ist ein wachsendes interdisziplinäres Forschungsgebiet, das Krebsbiologie, klinische Erkenntnisse und Mathematik vereint. Durch den Einsatz von computergestützten Methoden und mathematischen Gleichungen zum Verständnis der dynamischen Natur von Krebs strebt das Fachgebiet danach, die Ökologie, Evolution und Behandlung von Krebs zu quantifizieren. Die mathematische Onkologie spielt eine entscheidende Rolle im Kampf gegen diese tödliche Krankheit, da sie dazu beiträgt, die Diagnose und Behandlung von Krebs zu verbessern und zu personalisieren.

Suche nach einer Schwäche

Karzinome, also Krebserkrankungen der Epithelzellen, weisen oft eine besondere phänotypische Plastizität auf. Sie sind also in der Lage, ihre Eigenschaften je nach Umgebung zu verändern, was ihre Behandlung erschwert. Krebszellen können ihren Phänotyp ändern, indem sie das Immunsystem kapern und Signale von Immunzellen nutzen. In der nun veröffentlichten Studie haben Saumil Shah, Arne Traulsen und Michael Raatz der Abteilung für Theoretische Biologie vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön untersucht, wie sich diese verheerende Eigenschaft von Krebszellen in eine Schwäche wandeln lässt.

Von Immunzellen ausgesendete Signale verändern den Zustand der Krebszellen und führen zu unterschiedlichen Phänotypen. Wenn die Stärke dieser Signale manipuliert wird, verändern Krebszellen ihren Phänotyp, werden weniger schädlich und reagieren besser auf die Behandlung. Gemeinsam mit Kooperationspartnern vom Institut für Experimentelle Krebsforschung in Kiel haben Saumil Shah und Kollegen mathematische Gleichungen entwickelt, die die Reaktion der Krebszellen auf diese Signale abbilden. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, die Behandlung von Krebs zu personalisieren und zu optimieren.

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