Krebs ist nicht gleich Krebs. Nicht alle Formen breiten sich im Körper gleich schnell aus oder sprechen auf die gleichen Medikamente an. Wird beispielsweise bei einer Frau Brustkrebs diagnostiziert, kann es deshalb entscheidend sein, Form und Stadium des Brustkrebses zu bestimmen, damit der Krebs gezielt bekämpft werden kann. In vielen Fällen ist die Medizin heute noch nicht so weit. Standardtherapien, auf die nicht alle Stadien und Krebsformen ansprechen, sind eher die Regel als die Ausnahme.

Gesucht: Neue Antikörper

Für die Diagnose werden Gewebeproben mittels spezifischer Antikörper untersucht, die an bestimmte Proteine auf der Zelloberfläche binden. Für eine Krebs-Diagnose werden Proteine oder Proteinkombinationen nachgewiesen, die für eine bestimmte Erkrankung typisch sind. Auf Gewebeproben werden die Antikörper durch gekoppelte fluoreszierende Farbstoffe sichtbar. Da es bisher aber erst wenige gut funktionierende Antikörper gibt, stützt sich die Diagnose ebenfalls nur auf wenige nachweisbare Proteine. Die Diagnose lautet dann oft einfach «Krebs» - eine bestimmte Form ist noch nicht nachweisbar. Um verschiedene Krebsstadien und –formen besser unterscheiden zu können, wären genauere Informationen über die Zusammensetzung der Proteine auf der Zelloberfläche der verschiedenen Krebsformen hilfreich – ebenso wie zusätzliche funktionierende Antikörper.

Die Forschungsgruppe um Bernd Wollscheid, Gruppenleiter am Institut für Systembiologie an der ETH Zürich, hat eine neue Methode entwickelt, die dazu beiträgt, dass neue und bessere Antikörper einfacher entwickelt werden können. Sie heisst «Cell Surface-Capturing» (CSC). Damit können die Proteine der Zelloberfläche gezielt erfasst werden. «Mit der CSC-Methode können wir eine Vielzahl an Proteinen, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an der Oberfläche von Zellen befinden, gleichzeitig identifizieren» präzisiert Wollscheid. Und nicht nur das: CSC liefert zusätzlich Informationen darüber, in welchen Mengenverhältnissen diese Proteine vorkommen. Ganz ohne Antikörper.

Zucker an der Proteinoberfläche machen‘s möglich

Möglich wird der Gesamtblick auf die Zelloberfläche und die dort versammelten Proteine durch ein paar Tricks: «Damit wir uns die Oberflächenproteine gezielt näher anschauen können, nutzen wir den Umstand, dass sie praktisch alle Glykoproteine sind», sagt Wollscheid. Diese Proteine tragen irgendwo mindestens ein Zuckermolekül. An diese Zuckermoleküle docken die Forscher eine Art Adapter an, der sich fest mit dem Zuckerrest verbindet. Im nächsten Schritt werden alle Glykoproteine der gesamten Zelle mit einem Enzym, das wie eine molekulare Schere funktioniert, kleingeschnitten. Mit dem passenden Gegenstück zum Adapter können die Forscher anschliessend bequem all jene Proteinstücke herausfischen, die an den Zuckerresten hängen, also von der Zelloberfläche stammen. Auf diese Weise erhalten die Forscher Stücke von den markierten Oberflächenproteinen. Bevor sie identifiziert werden können, müssen Zuckerrest und Adapter mit Hilfe eines weiteren Enzyms abgeschnitten werden.

Anschliessend analysieren die Forscher ihre Sammlung von Proteinstücken im Massenspektrometer und erhalten Daten zu Aufbau und Menge der Stücke. «Mit Hilfe von Datenbanken können wir die zugehörigen Proteine identifizieren und erhalten eine Liste all derjenigen Proteine, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Zelloberfläche zu finden waren», erläutert Wollscheid. Bei manchen waren die Forscher überrascht, sie auf der Zelloberfläche zu finden, da nicht bekannt war, dass sie dort überhaupt vorkommen. Faszinierend ist auch, dass so viele Proteine gleichzeitig nachgewiesen werden können.

Feinere Diagnosen angestrebt

Wo bisher vier bis fünf Proteine und ihre entsprechenden Antikörper ausreichen mussten, um eine Körperzelle oder Krebs-Form zu charakterisieren, lassen sich Zellen neu über die Zusammensetzung ihrer gesamten Oberflächenproteine beschreiben. Um verschiedene Zellarten oder Krebs-Formen oder –Stadien zu unterscheiden, kann gezielt nach Unterschieden in Menge und Art der Proteine auf der Zelloberfläche gesucht werden. Für die medizinische Diagnostik können dadurch in Zukunft jeweils besonders typische Oberflächenproteine ausgewählt und für sie ein spezifisches Set von Antikörpern entwickelt werden.

Die mit der CSC-Technologie gewonnenen Proteinstücke haben noch einen weiteren, entscheidenden Vorteil: Dadurch, dass sie von der Aussenseite des Proteins stammen, sind sie für die Antikörper gut zugänglich und deshalb als Zielstrukturen von Antikörpern besonders geeignet, eine Idee, die kürzlich patentiert werden konnte. Aus diesem Grund werden sie jetzt bei der Produktion von Antikörpern eingesetzt.

Gewebe für medizinische Anwendungen direkt mit der auf Massenspektrometrie basierenden CSC-Methode zu testen, kommt momentan nicht in Frage. Gewebeproben, die den Patienten entnommen werden, enthalten immer verschiedene Zellen in unterschiedlichen Mengen. In den Proben finden sich beispielsweise neben Krebszellen auch gesunde Zellen und Zellen der Immunabwehr, die das Resultat verfälschen. Geforscht wird deshalb mit speziell angereicherten Gewebeproben oder mit Zellkulturen, die hauptsächlich aus einer Sorte Zellen bestehen. Massenspektrometer sind heute noch nicht empfindlich genug, um die winzigen Proteinmengen, die aus einzelnen Zellen gewonnen werden könnten, analysieren zu können. Antikörper werden deshalb weiterhin gebraucht.

Gezielt wirkende Medikamente entwickeln

Sind die Oberflächeneigenschaften bestimmter Krebszellen bekannt, wird es auch einfacher, gezielt neue Medikamente zu entwickeln, die nur gegen diesen einen Zelltyp wirken. «Denkbar wären Medikamente, die aufgrund der Oberflächenproteine zum Beispiel nur an bestimmte Krebszellen binden und sie unschädlich machen», verdeutlicht Wollscheid. Dabei ist äusserste Vorsicht geboten: Ist das Medikament nicht spezifisch genug und zerstört neben allen Brustkrebszellen sämtliche Nierenzellen, ist mit der Therapie nichts gewonnen.

Zellentwicklung verfolgen

Wenn sich die CSC-Methode durchsetzt, wird nicht nur die Medizin, sondern auch die Grundlagenforschung davon profitieren. Indem sie nämlich mehrere «Momentaufnahmen» der Zelloberfläche in bestimmten Zeitabständen machen, können die Forscher beobachten, wie sich die Proteinzusammensetzung auf den Zellen über die Zeit verändert. Zeigen konnten das die Systembiologen um Wollscheid am Beispiel von Stammzellen, die sich zu Hirnzellen spezialisierten. «Die Zusammensetzung der Oberflächenproteine veränderte sich drastisch», fasst Wollscheid die Resultate zusammen. So lassen sich gesunde mit kranken Zellen, Stammzellen mit differenzierten Zellen vergleichen und die Entwicklung von der einen zur anderen Form mit der CSC-Methode verfolgen.

Gut möglich, dass mit dem neu gewonnenen Wissen und den neuen diagnostischen Möglichkeiten in absehbarer Zeit massgeschneiderte Therapien für Krebspatienten entwickelt werden können. Doch bis dieses Ziel erreicht wird, ist noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig.

Literatur:

Wollscheid B, Bausch-Fluck D, Henderson C, O’Brien R, Bibel M, Schiess R, Aebersold R, Watts J D: Mass-spectrometric identification and relative quantification of N-linked cell surface glycoproteins. Nat Biotechnol. 2009 Apr; 27(4): 378-86. Epub 2009 Apr 6. doi:10.1038/nbt.1532.