Obwohl die Heilungschancen für krebskranke Kinder in den vergangenen Jahren enorm verbessert wurden, ist Krebs - nach Verkehrsunfällen - weiterhin die zweithäufigste Todesursache von Kindern in Deutschland. Besonders viele Kinder sterben an den Folgen eines Hirntumors. Daher ist die Forschung nach Biomarkern, die eine präzisere Diagnose und gezieltere Therapie ermöglichen, von entscheidender Bedeutung.
Die Notwendigkeit präziser Diagnostik und personalisierter Therapie
Wuchert im Gehirn eines Kindes ein gefährlicher Tumor, müssen die Ärzte meist schnell mit einer Behandlung beginnen. Was wäre, wenn man schon vor Beginn der Therapie vorhersagen könnte, welche Behandlung den Tumor am effektivsten zerstört? „Das wäre ein großer Fortschritt und würde die Heilungschancen der Kinder deutlich verbessern“, sagt Dr. Stefan Pfister vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg. „Wenn wir wüssten, wie ein Kind auf die Therapie anspricht, wäre es auch möglich, die Art und Intensität der Behandlung genau auszuwählen.“ Denn ist ein Hirntumor besonders bösartig, sollte die Strahlen- oder Chemotherapie von Anfang an sehr intensiv sein. Ist der Tumor allerdings weniger gefährlich oder wird er durch die gewählte Therapie voraussichtlich schnell zerstört, benötigt ein Kind vermutlich nicht die volle Dosis der belastenden Therapie.
Eine präzise Diagnose ist entscheidend für eine gezielte Therapie. Für Leukämien sind bereits seit einigen Jahren solche prognostischen Marker bekannt. Mit ihrer Hilfe können die Ärzte über die Intensität der Krebstherapie entscheiden. „Gerade die klinische Anwendung dieser molekularen Biomarker hat maßgeblich zur effektiveren Bekämpfung von kindlichem Blutkrebs beigetragen“, erklärt Dr. Pfister. Daher sind mittlerweile nicht mehr die Leukämien die Krebstodesursache Nummer eins im Kindesalter, sondern die Hirntumore.
Molekulare Biomarker im Fokus der Forschung
Dr. Pfister untersucht nun in einer Studie, wie zuverlässig verschiedene Biomarker den Krankheitsverlauf von Kindern mit einem Medulloblastom, dem häufigsten bösartigen Hirntumor im Kindesalter, vorhersagen können. „Wir kennen bereits einige Marker für kindliche Hirntumore“, sagt Dr. Pfister. Bisher wurde aber in keiner unabhängigen Studie nachgewiesen, ob diese Marker tatsächlich eine verlässliche Prognose über den Verlauf der Krankheit und den Erfolg einer Therapie zulassen. „Jetzt möchten wir herausfinden, ob diese Marker wirklich verlässlich sind.“ Mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) werden in der Studie bei nahezu allen Kindern in Deutschland, die neu an einem Medulloblastom erkranken, die molekularen Marker untersucht. Ein Ziel des Forschungsverbundes, dem Wissenschaftler aus Bonn, Düsseldorf, Hamburg, Mainz und Heidelberg angehören, ist es, die kleinen Patienten mithilfe der Marker in verschiedene Therapiegruppen einzuteilen. Dr. Pfister ist optimistisch: „Wir glauben, mit dieser Methode langfristig mehr Kinder heilen zu können.
Ein molekularer Biomarker, der den Verlauf einer Tumorerkrankung vorhersagen kann, ist das Gen C-MYC. Üblicherweise liegt dieses Gen in gesunden Körperzellen in zwei Kopien vor, bei Tumorzellen ist es aber oftmals in größerer Zahl vorhanden. „Hat ein Kind beispielsweise durchschnittlich mehr als vier Kopien dieses Gens in seinen Krebszellen, scheint das Medulloblastom besonders aggressiv zu sein“, erläutert Dr. Pfister. Es sind bereits zahlreiche molekulare Indikatoren bekannt, welche die Diagnose und Behandlung von Krankheiten deutlich verbessern könnten. Diese Biomarker haben das Potenzial, eine Erkrankung frühzeitig zu diagnostizieren, den Verlauf einer Erkrankung zu prognostizieren oder den Erfolg einer Therapie exakt zu verfolgen. Prinzipiell kann jedes Gen und jedes Protein, das mit einer Erkrankung direkt oder indirekt in Verbindung steht, als molekularer Biomarker verwendet werden. Bisher sind jedoch nur wenige Tests so weit entwickelt, dass sie im klinischen Alltag genutzt werden können. Dafür müssen Biomarker vor einem möglichen Routineeinsatz in Klinik und Praxis eingehend geprüft werden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) möchte diese Lücke zwischen Grundlagenforschung und Patientenversorgung schließen und fördert deshalb den Transfer von Grundlagenwissen in die klinische Anwendung.
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DIMEimmune: Ein neues Analyse-Tool für tumorinfiltrierende Lymphozyten
Das Eindringen von tumorinfiltrierenden Lymphozyten (TILS) in einen Tumor lassen Aussagen zur Immunantwort sowie Prognosen über Therapieerfolg und Überlebenschancen zu. Um diesen Biomarker auch für kindliche Hirntumoren besser nutzbar zu machen, fehlte bislang eine praxisnahe Technik, die sich an der diagnostischen Routine orientiert. Mit DIMEimmune hat das Forscherteam von Professor Schüller nun ein Analyse-Tool entwickelt, das auf DNA-Methylierungsdaten angewendet werden kann und Aussagen über TIL-Häufigkeiten in der Mikroumgebung kindlicher Hirntumoren ableitet.
„DIMEimmune haben wir mit Hilfe eines Ansatzes entwickelt, der auf differentieller Methylierung und Hauptkomponentenanalyse basiert und uns hilft, die Häufigkeit von CD4+ und CD8+ T-Zellen sowie die Anzahl der tumorinfiltrierenden Lymphozyten (TILs) aus Bulk-Methylierungsdaten einzuschätzen“, erklärt Dr. Michael Bockmayr, der auch als Kinderarzt in der pädiatrischen Onkologie arbeitet und die Studie federführend zusammen mit Prof. Schüller geleitet hat. Zum Einsatz gekommen ist die Methode bereits bei kindlichen Gliomen, Medulloblastomen, atypischen teratoiden/rhabdoiden Tumoren (ATRTs) sowie Ependymomen. Dabei zeigte sich, dass hochgradige Gliome höhere Werte an tumorinfiltrierenden Lymphozyten aufwiesen als niedriggradige Gliome. In Medulloblastom-Untergruppen gab es insgesamt nur wenige tumorinfiltrierende Lymphozyten. ATRTs waren hingegen stark von Lymphozyten infiltriert. In Zukunft könnte DIMEimmune als zusätzlicher prognostischer oder prädiktiver Faktor in kindlichen ZNS-Therapieoptimierungs-Studien dabei helfen, das klinische Verhalten des Tumors sowie das Ansprechen einer Therapie besser beurteilen zu können.
Die Bedeutung der Tumormikroumgebung bei niedriggradigen Gliomen
Niedriggradige Gliome sind die häufigste Hirntumorart bei Kindern - und gleichzeitig wenig untersucht. Die Tumoren sind meist gutartig und die jungen Patientinnen und Patienten haben in der Regel eine gute Überlebenschance. In einigen Fällen wachsen die Tumoren jedoch kontinuierlich weiter, es kommt zu neurologischen Beeinträchtigungen und die Kinder haben lebenslang mit den Auswirkungen der Tumoren und der Behandlung zu kämpfen. Warum manche der Tumoren schnell oder langsam wachsen, sich besser oder schlechter kontrollieren lassen und es in manchen Fällen trotz erfolgreicher Behandlung zu Rückfällen kommt, hängt dabei nicht nur von den Krebszellen selbst, sondern auch den Zellen in der Umgebung ab.
Der Tumor wendet dabei unterschiedliche Tricks an, um die Zellen in der Nachbarschaft so zu manipulieren, dass sie Blut- und Lymphgefäße bilden, die ihn versorgen, das Tumorgewebe stützen oder sogar die Blut-Hirnschranke so beeinflussen, dass Medikamente nicht eindringen können. Gleichzeitig wandern Immunzellen ein, welche die Immunabwehr unterdrücken und den Tumor vor Attacken anderer Abwehrzellen schützen. „Das ist hochkomplex und es war bislang schwierig, die genaue Zusammensetzung der Tumor-Mikroumgebung bei kindlichen niedriggradigen Gliomen zu analysieren, um beispielsweise auch Vorhersagen zum Therapieverlauf machen zu können“, erklärt Till Milde vom Hopp-Kindertumorzentrum Heidelberg (KiTZ) und dem Universitätsklinikum Heidelberg (UKHD), der seit diesem Jahr die Klinik für Kinder- und Jugendmedizin am Universitätsklinikum Jena leitet.
Gemeinsam mit Romain Sigaud vom Hopp-Kindertumorzentrum Heidelberg (KiTZ), vom Universitätsklinikum Jena und dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) und weiteren Kollegen, u.a. von der McGill University, Montreal, Canada ist es dem Forschungsteam jetzt gelungen, das „Immunzellen-Profil“ der Tumorumgebung zu charakterisieren, die sich künftig auch als Marker für die Prognose eignen könnten. Das Forschungsteam analysierte 120 Tumorproben von Kindern und Jugendlichen mit einem vergleichsweise jungen Verfahren, der bildgebenden Massenzytometrie. Hochaufgelöste mikroskopische Bildgebung wird dabei mit Massenspektrometrie kombiniert, um viele Proteine in Gewebeproben mit hoher räumlicher Auflösung sichtbar zu machen.
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Eine auffällige Gemeinsamkeit in der Tumorumgebung der untersuchten Proben war die große Anzahl sogenannter myeloischer Zellen, eine Gruppe von Immunzellen. Die Proteinzusammensetzung dieser myeloischer Zellen lässt zudem vermuten, dass sie die Immunabwehr im Tumor unterdrücken und er daher von der körpereigenen Abwehr nicht angegriffen wird. Kinder mit einem Rückfall zeigten dabei ein besonders charakteristisches „Immunzellen-Profil“ in der Tumorumgebung, das sich künftig als Marker eignen könnte, um Hochrisiko-Patienten zu identifizieren. Die Zusammensetzung der Tumorumgebung variierte auch in Abhängigkeit von der Hirnregion, in der sich der Tumor befindet. Darüber hinaus fanden die Forscherinnen und Forscher in den myeloischen Zellen der Tumorumgebung auch besonders hohe Konzentrationen eines bestimmten Rezeptors, der für die Kommunikation der Krebszellen mit den Zellen ihrer Umgebung verantwortlich ist, wie frühere Studien vermuten lassen. „Das sind gute Nachrichten, denn es gibt bereits klinische Studien, in denen Patienten mit soliden Tumoren auf die Blockade dieses Rezeptors gut ansprechen“, sagt Till Milde. „Wir hoffen daher, dass diese Therapie auch Kindern und Jugendlichen mit einem niedriggradigen Gliom helfen könnte. Mit den Ergebnissen unserer Arbeit möchten wir auch neue Ansätze entwickeln, um die Zellen der Tumorumgebung positiv zu beeinflussen.“
Genomische Analysen und molekulare Therapieansätze
Tumorerkrankungen bei Kindern können ganz unterschiedlich schwer verlaufen. Da die Behandlung oft Spätfolgen nach sich zieht, ist es sehr wichtig, möglichst genau einschätzen zu können, wie die Erkrankung fortschreitet. Ganz besonders gilt dies für Hirntumoren des Kindesalters, denn Operation, Strahlen- und Chemotherapie können das Gehirn dauerhaft schädigen und so zu Entwicklungsstörungen und anderen langfristigen Folgeschäden führen. Hirntumoren, und darunter vor allem das Medulloblastom, aber auch Ependymome oder pilozytische Astrozytome sind die zweithäufigsten Tumorerkrankungen im Kindes-und Jugendalter.
Im Rahmen des Internationalen Cancer Genome Consortiums ICGC, das die genomischen Veränderungen in verschiedensten Tumoren analysiert, sequenziert die Arbeitsgruppe um Dr. med. Stefan Pfister am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg nun die DNA von Medulloblastomen und pilozytische Astrozytomen mittels „next-generation sequencing“, um somatische Mutationen aufzudecken und so die molekulare Diagnostik und Therapie dieser Tumorerkrankungen weiterzuentwickeln.
In den letzten Jahren wurden bereits für das Medulloblastom und das Ependymom klinisch relevante molekularbiologische Subgruppen identifiziert. Diese Erkenntnisse zur Tumorentstehung und Klassifizierung schlagen eine Brücke von der medizinischen Grundlagenforschung zur klinischen Anwendung, da sie zur Risikoabschätzung der Tumorerkrankung verwendet werden können. Somit ist bei kindlichen Hirntumoren eine präzisere Diagnostik und damit auch eine präzisere Behandlung möglich.
Für das pilozytische Astrozytom konnte nun erstmalig ein Gen identifiziert und mit Hilfe eines neu entwickelten Mausmodells in vivo untersucht werden, welches bei mehr als der Hälfte dieser Tumoren genetische Veränderungen im Sinne einer onkogenen Aktivität aufweist. Hierbei handelt es sich um das onkogen aktivierte B-RAF-Kinase-Gen. Es ist Teil des Mitogen-Activated Protein-Kinase-Signalwegs und damit an der Regulation der Zellteilung und -differenzierung beteiligt. Durch gezielte Inhibition des B-RAF-Proteins mit Medikamenten, wie zum Beispiel Sorafenib, ist damit ein neuer, molekularer Ansatz für die Therapie von pilozytischen Astrozytomen gefunden worden.
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Seneszenz und MAPK-Signalweg bei niedriggradigen Gliomen
Niedriggradige Gliome machen fast die Hälfte aller Hirntumoren im Kindesalter aus, sind bislang jedoch noch wenig untersucht. Die Tumoren sind meist gutartig und die jungen Patientinnen und Patienten haben in der Regel eine gute Überlebensrate. Hochkomplexe Signalwege entscheiden darüber, wie sich unsere Zellen teilen und entwickeln. Zellen, die dabei besonders gefährdet sind, zu Tumorzellen zu entarten, verlassen häufig ihren normalen Zellzyklus und begeben sich in einen Ruhezustand, der als Seneszenz bezeichnet wird. Die seneszenten Zellen befinden sich in einer Art „Winterschlaf“: sie teilen sich nicht und können sich daher zunächst nicht unkontrolliert vermehren. Dieser Prozess gilt daher als wichtige Schutzfunktion, um die Entstehung von Krebs zu verhindern.
Bei den niedriggradigen Gliomen wirkt die Seneszenz jedoch wie ein zweischneidiges Schwert. Die Zellen in ihrem Ruhezustand teilen sich dann zwar nicht mehr, haben jedoch auch eine schädliche Wirkung auf ihre Umgebung: Sie schütten entzündungsfördernde Proteine und Wachstumsfaktoren aus, die zu Rückfällen führen können. Da sie nicht mehr teilungsaktiv sind, entgehen diese „schlafenden“ Zellen zudem ihrer Vernichtung durch eine Chemotherapie.
Ein Forscherteam vom Hopp-Kindertumorzentrum Heidelberg (KiTZ), dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) und dem Universitätsklinikum Jena ist es jetzt erstmals gelungen, entscheidende Gene und Proteine zu identifizieren, welche die Zellen in den Ruhezustand versetzen. Trametinib bekämpft Krebszellen, indem es den sogenannten MAPK-Signalweg blockiert, der bei vielen niedriggradigen Gliomen aufgrund genetischer Veränderungen überaktiv ist. Wie die vorliegende Studie nun erstmals zeigt, kontrolliert dieser Signalweg auch den Ruhezustand der Krebszellen. Durch Blockade des MAPK-Signalwegs konnte das Forscherteam auch diejenigen Gene und Proteine identifizieren, die für die Aktivierung dieses Ruhezustands verantwortlich sind. Molekulare Analysen von Gewebeproben zeigten zudem, dass deren Genaktivität variiert, je nachdem, ob die die jungen Patientinnen und Patienten einen günstigen oder ungünstigen Krankheitsverlauf hatten. Die Ergebnisse zeigten deutlich, wie wichtig es sei, den Behandlungsplan für jeden Patienten individuell abzuwägen und auch die genetische Ausstattung des Tumors zu kennen, betonen die Forscherinnen und Forscher in ihrer Publikation.
Die Rolle der Tumormikroumgebung beim Medulloblastom
Die genetischen Eigenschaften des embryonalen Tumors hat die Forschung in den vergangenen Jahren bereits weitreichend klären können. So hat sich etwa gezeigt, dass es verschiedene Subtypen des Tumors gibt, welche auch unterschiedlich behandelt werden. Über den potenziellen Einfluss des unmittelbaren Milieus des Tumors (genetisch normale Zellen der Tumormikroumgebung) auf die Erkrankung und ihre Entwicklung war bisher kaum etwas bekannt.
„Das Medulloblastom stellt uns täglich vor große klinische Herausforderungen“, sagt Neuroonkologe Andreas Peyrl von der Medizinischen Universität Wien. Im Rahmen einer Kooperation mit Wolfgang Buchberger von der Johannes Kepler Universität Linz wurden mittels modernster massenspektrometrischer Verfahren Proteomics, Metabolomics und Lipidomics-Datensätze erhoben und zusammengeführt. Neben dem Nachweis charakteristischer Tumor-Marker konnte gezeigt werden, dass Tumor-assoziierte Makrophagen direkt tumorfördernde Proteine bilden sowie zusätzlich Lipidhormone erzeugen, welche den Stoffwechsel wiederum in Tumor-fördernder Weise verändern. „Über unseren Multiomics-Ansatz haben wir einen sehr effizienten Pathomechanismus beim Medulloblastom entdecken können, der unabhängig von den genetischen Eigenschaften der Tumorzellen entstehen kann und die Entwicklung ganz neuer therapeutische Strategien ermöglichen wird“, so Christopher Gerner von der Fakultät für Chemie der Universität Wien. Die Studie demonstriert auch die Möglichkeiten, wie modernste postgenomische Analyse-Strategien das molekulare Verständnis von Krebserkrankungen verbessern können.
Liquid Biopsies zur Therapieüberwachung und Früherkennung von Rückfällen
Die engmaschige Therapieüberwachung und Früherkennung von Rückfällen eines ZNS-Tumors im Kindes- und Jugendalter sind für die Therapiesteuerung extrem wichtig. Gerade in dieser Altersgruppe ist die Diskrepanz zwischen der aufwendigen Gewinnung von Nervenwasser (Liquor), geringen Probenmengen, begrenztem Informationsgehalt konventioneller Methoden und dem potentiellen Mehrwert hochsensitiver Methoden aus „liquid biopsies“(Flüssigbiopsien) gravierend. Ein entscheidendes Ziel unserer Studiengruppe ist die Implementierung dieser „liquid biopsies“ in der klinischen Routine.
Meilensteine und Ziele der zweiten Förderperiode:
- Verbindung von bildgebender Diagnostik und liquid biopsies in einem ersten Projektteil werden die Daten sowohl von MRT, als auch von FET-PET Untersuchungen betroffener Kinder und Jugendlicher bayernweit gesammelt
- Ein weiterer Projektteil widmet sich der Korrelation der Ergebnisse aus liquid biopsies und Bildgebungen. Wir gehen davon aus, dass ein beginnendes Rezidiv zunächst durch einen Anstieg von Biomarkern in den „liquid biopsies“ sichtbar wird, bevor es in MRT- (oder PET-Untersuchung) aufgedeckt werden kann.
5-ALA zur Verbesserung der operativen Tumorentfernung
Münster (ukm/mfm) - Je vollständiger ein Tumor operativ entfernt werden kann, desto größer sind die Chancen, dass es nicht zu einem Rückfall kommt: Das ist die medizinische Regel insbesondere bei Hirntumoren. Eine körpereigene Substanz namens 5-Aminolävulinsäure wird seit Jahren dazu eingesetzt, diese Tumoren vor einer Operation zu markieren und so das chirurgische Ergebnis zu verbessern. Belegt ist das bisher nur für die Anwendung bei Erwachsenen. Eine multizentrische Studie unter Leitung des Medizinprofessors Walter Stummer von der Universität Münster überprüft den Einsatz nun auch bei Operationen von kindlichen Hirntumoren.
Dass die Verwendung von 5-Aminolävulinsäure (kurz: 5-ALA) vor neurochirurgischen Hirntumor-OP gute Möglichkeiten bietet und vor allem die Überlebenszeit der Patienten verlängert, konnte Prof. Stummer bereits in einer randomisierten internationalen Studie nachweisen. „Ob die Ergebnisse von damals aber 1 zu 1 auf kindliche Hirntumore übertragen werden können, möchte die Arbeitsgruppe aus Neurochirurgen der bedeutendsten Zentren in Deutschland nun mit einer Studie herausfinden“, so der Direktor der münsterschen Uniklinik für Neurochirurgie. „Für die Kleinsten fehlt es uns an Erfahrungswerten. Kindliche Hirntumore unterscheiden sich von Tumoren bei Erwachsenen. Und gerade weil das Gehirn bei Kindern noch in der Entwicklung ist, müssen wir hier noch sensibler vorgehen, um einerseits das bestmögliche Operationsergebnis zu erzielen, aber andererseits maximal schonend vorzugehen.“
5-ALA ist eine fluoreszierende Substanz, die wenige Stunden vor der Resektion eines Hirntumors bei Erwachsenen oral verabreicht wird. Nach Einnahme lagert es sich im malignen Gewebe des Tumors an. Der Neurochirurg kann dann unter der OP eine UV-Lampe zuschalten, sodass das Tumorgewebe rot-violett leuchtet. „Das macht gesundes Gewebe klar von bösartigem unterscheidbar und minimiert das Risiko, Hirnregionen zu verletzen“, so Stummer. Weil der Stoffwechsel von Kindern sich von dem eines Erwachsenen unterscheidet, ist es nötig, die Sicherheit in der Anwendung von 5-ALA speziell für den jungen Organismus eines Kindes nachzuweisen. „Wir konnten kürzlich das erste Kind erfolgreich mit 5-ALA operieren und damit den ersten Patienten in unsere Studie einschließen. Wir sind sehr gespannt, ob sich, wie wir es eigentlich erwarten, 5-ALA auch in der neurochirurgischen Hirn-OP bei Kindern als Gewinn erweist“, sagt der WWU-Professor. An der Studie nehmen Experten aus den neurochirurgischen Zentren von Universitätsklinika in Essen, Tübingen, Düsseldorf, Leipzig und München teil. Insgesamt sollen 80 junge Patienten eingeschlossen werden.