Bedeutung der Tumorhypoxie und –azidose für die Chemotherapie

Die derzeitigen Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit dem Einfluss der mikroregionalen Verteilung verschiedener stoffwechselrelevanter Parameter (Durchblutung, Sauerstoff- und Nährstoffversorgung, Metabolitentsorgung, pH-Wert) auf die Effektivität unterschiedlicher Krebstherapien sowie auf das biologische Verhalten solide wachsender Tumoren. Innerhalb dieser Parameter, die das sog. metabolische Mikromilieu eines Tumors charakterisieren, nimmt die Verteilung des Sauerstoffpartialdrucks im Gewebe (Oxygenierung) eine wichtige Rolle ein, da bereits seit längerer Zeit bekannt ist, dass die Effektivität einer Strahlentherapie sowie verschiedener Chemotherapeutika durch die Anwesenheit von O2 beeinflusst wird.

Im Rahmen der Projekte wird der Einfluss der O2-Versorgung und des Glukosestoffwechsels auf die Effektivität von Chemotherapien in vitro und in vivo untersucht. In vielen Tumoren ist aufgrund der "chaotischen", nicht bedarfsgerechten Durchblutung der O2-Transport im Tumorgewebe nicht ausreichend zur Deckung des Bedarfs, sodass O2-Mangel (Hypoxie) entsteht. Die Tumorzellen aktivieren daher die anaerobe Glykolyse und es kommt zu einer ausgeprägten extrazellulären Azidose. Da zahlreiche Tumoren Pharmaka-transportierende Pumpen (z.B. p-Glykoprotein, MRP1) überexprimieren, was zum Phänomen der "Multi-Drug Resisitance" führt, beschäftigen sich die Untersuchungen mit der Frage, in wieweit Azidose, Hypoxie und Hypoglykämie die Aktivität in vitro und in vivo verändern, was eine mögliche Erklärung für die beobachtete Chemoresistenz hypoxischer Tumoren sein könnte. In Zellkulturuntersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass der extrazelluläre pH-Wert einen starken modulierenden Einfluss auf die Aktivität des p-Glykoproteins (Pgp) hat. Unter azidotischen Umgebungsbedingungen (pH=6,6) nimmt die Transportleistung um mehr als das Doppelte zu, sodass Chemotherapeutika effektiver aus der Zelle herausgepumpt werden und die Zelle eine erhöhte Resistenz gegenüber diesen zytotoxischen Substanzen aufweist. Der intrazelluläre Signalweg, über den es zu einer Aktivierung des Pgp kommt, konnte teilweise geklärt werden. So scheinen MAP-Kinase (p38, ERK1/2) eine Rolle zu spielen. Die Entschlüsselung der genauen Signalmechanismen sowie der H+-sensitive Struktur ("pH-Sensor") der Tumorzelle erfolgt in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. M. Gekle. In weitergehenden Experimenten konnte gezeigt werden, dass diese in der Zellkultur nachgewiesenen Mechanismen auch in vivo im solide wachsenden Tumor von Bedeutung sind und in einem azidotischen Tumor zu einer erhöhten Chemoresistenz führen. Auch lässt sich die Azidose-induzierte Pgp-Aktivierung und somit die Chemoresistenz durch Unterbrechung des p38-Signalweges in vivo antagonisieren machen.

Mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) lassen sich funktionelle Parameter in Normalgeweben und Tumoren sensitiv in vivo visualisieren. So können Rezeptorstrukturen (z.B. Dichte von ß2-Adrenozeptoren der Lunge oder von Sulfonylharnstoff-Rezeptoren des Pankreas) in Schnittbildern sichtbar gemacht und quantifiziert werden. Aber auch dynamische Prozesse, wie beispielsweise die funktionelle Transportrate von Medikamententransporten (p-Glykoprotein Pgp), kann mit dieser Technik nicht-invasiv bestimmt werden. Hierzu sind jedoch spezifische Tracer notwendig, die mit Positronen-emittierenden Nukliden (z.B. 18F oder 68Ga) markiert werden.

In verschiedenen Forschungsprojekten wurden und werden neue Verbindungen entwickelt und evaluiert, die eine Darstellung unterschiedlicher Funktionsparameter von Tumoren mittels PET ermöglichen. Die Verbindungen werden in Kooperation mit dem Institut für Kernchemie der Universität Mainz synthetisiert und die Körperverteilung mittels PET visualisiert. Ziel ist die präklinische Entwicklung und Evaluation von Tracern zur prätherapeutischen Erfassung der spezifischen Situation des individuellen Tumors und somit zur Therapiestratifikation in der Onkologie.

Neben der Positronen-Emissions-Tomographie kommen auch optische Verfahren mittels Fluoreszenz-Imaging zum Einsatz, um beispielsweise das Metastasierungsverhalten von Tumoren in vivo zu verfolgen.

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Entwicklung HPMA-basierter Polymere als makromolekulare Medikamententräger für die Chemotherapie in der Onkologie

Eine weitere besondere Eigenschaft von Tumoren ist eine im Vergleich zu Normalge-weben deutlich höhere Permeabilität der Blutgefäße. Seit längerem wird diskutiert, ob sich diese erhöhte Permeabilität für Makromoleküle (z.B. Proteine), die auch als EPR-Effekt ("Enhanced Permeability and Retention Effect") bezeichnet wird, eignet, um Chemotherapeutika im Tumorgewebe anzureichern und somit Normalgewebe vor der zytotoxischen Wirkung zu schützen. Hierfür sollen neue makromolekulare Arzneistoffträger (statistische oder selbstorganisierende Polymere, Polyglycerole, mizellare Strukturen) entwickelt und auf ihre Eignung zur Anreicherung in Tumorgeweben hin untersucht werden. Auch soll geklärt werden, ob die Tumoranreicherung und die zelluläre Aufnahme durch die Anbindung geeigneter Liganden zusätzlich gesteigert werden kann. Schließlich sollen an diese Trägermoleküle Chemotherapeutika gekoppelt werden, die an der Internalisierung des Komplexes abgespalten werden und anschließend ihre zytotoxische Wirkung entfalten. Für die Studien zum Einfluss der Molekülgröße bzw. –struktur auf die Tumoranreicherung bestehen enge Kooperationsprojekte mit dem Institut für Organische Chemie der Universität Mainz. Da Untersuchungen zum EPR-Effekt eine Blutgefäßsystem mit Gefäßwand und Durchblutung voraussetzt, sind für dieses Forschungsprojekt Zellkulturexperimente nur bedingt aussagekräftig. Um die Kinetik und die Biodistribution dieser Medikamententräger zu untersuchen, werden die Verbindungen mit Radionukliden (18F, 68Ga) oder Fluorochromen gekoppelt und ihre Verteilung im Organismus und Tumoren mittels Positronen-Emissions-Tomographie bzw. Fluoreszenz-Imaging verfolgt.

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Die Physiologie beschäftigt sich mit den funktionellen Zusammenhängen biologischer, physikalischer und chemischer Vorgänge im Organismus. Für den Wissenserwerb in diesem Fach steht weniger das Auswendiglernen von Fakten im Vordergrund als vielmehr das Verständnis der Kausalitäten. Dieses Wissen lässt sich aber in einigen Fällen weder durch einen Frontalunterricht noch durch praktische Übungen (aufgrund des Fehlens geeigneter Versuche) vermitteln. Hier können die neuen Medien einen wichtigen Beitrag leisten. So können Funktionszusammenhänge in Form mathematischer Modelle dargestellt werden, die es den Studierenden erlauben, die Auswirkungen und die Bedeutung einzelner physiologischer Parameter zu erfahren. An solchen Modellen können auch einfache therapeutische Interventionen nachgebildet werden, sodass erste Erfahrungen in einer Patienten-individuellen Behandlung gesammelt werden können. Hierfür sollen Software-Module entwickelt werden, die einen die Präsenzveranstaltungen ergänzenden Unterricht am eigenen Computer oder über das Internet ermöglichen.