Abwehrzellen graben Tunnel im Kampf gegen Krebszellen

Im Kampf gegen Krebs hilft vor allem Schnelligkeit: Je früher ein Tumor entdeckt wird, desto schneller kann der Körper die Tumorzellen abtöten. Dies erledigen so genannte zytotoxische T-Lymphozyten. Davon gibt es schnelle und langsame Exemplare. Forscher der Saar-Uni haben nun einen interessanten Sachverhalt beobachtet, den sie in einer hochrangigen Publikation beschreiben: Die langsamen Zellen verkürzen den Weg für die Killerzellen zum Tumor, indem sie Tunnel in das Körpergewebe bohren.

Wenn körpereigene Zellen außer Kontrolle geraten, können sie zu Krebszellen werden. Wird ihr Wachstum nicht gehemmt, indem die Zellen zum Beispiel frühzeitig von körpereigenen Abwehrzellen entdeckt und abgetötet werden, entstehen lebensgefährliche Tumore. Daher ist es wichtig, dass der Körper schon möglichst frühzeitig Krebszellen finden und vernichten kann, um erst gar keinen gefährlichen Tumor entstehen zu lassen.

Eine wichtige Rolle dabei spielen weiße Blutkörperchen, insbesondere zytotoxische T-Lymphozyten (CTLs). Wie ein Team um den theoretischen Physiker Heiko Rieger nun herausgefunden hat, geht die körpereigene Abwehr dabei vor wie Soldaten im Krieg: Bevor ein Angriff in unbekanntem Gelände erfolgreich durchgeführt werden kann, kommen die Pioniere und bereiten den Kampftruppen den Weg. Im Falle des Immunsystems bedeutet das: Manche CTLs bewegen sich recht langsam fort; diese graben Tunnel in die so genannte extrazelluläre Matrix (ECM), das die Zellen umgebende Körpergewebe, das üblicherweise aus ECM-Proteinen wie Kollagen besteht. Durch diese Tunnel oder Kanäle bewegen sich dann andere CTLs sehr schnell hindurch, um durch diese Abkürzungen möglichst schnell an ihrem Zielort anzukommen, idealerweise bei den Tumorzellen, die sie dann vernichten können.

„Das Migrationsverhalten dieser Immunzellen sowie ihre Suchstrategien in der ECM sind noch nicht gut verstanden und derzeit von großem Interesse für Physik und Biologie“, sagt der leitende Studienautor Heiko Rieger. Seine Hoffnung ist, dass ein tieferes Verständnis dieser Vorgänge neuartige Ansätze im Kampf gegen Krebs möglich machen könnte: „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Veränderung des Gewebes einen Einfluss auf die Effizienz der Immunantwort hätte, und damit Ideen für neue therapeutische Strategien in der Krebsbehandlung hervorbringen könnte“, sagt der Physiker, der den Sonderforschungsbereich SFB 1027 „Physikalische Modellierung von Nichtgleichgewichtsprozessen in biologischen Systemen“ leitet, in welchem unter anderem solche Fragestellungen nach den grundlegenden Bewegungs-Mechanismen von Zellen untersucht werden.

Um im vorliegenden Fall genauer herauszufinden, wie sich solche CLTs in Kollagen-Gewebe fortbewegen, haben Bin Qu und Mitarbeiter, Riegers Koautoren und Forscher der Universität des Saarlandes, die ECM mit Hilfe von 3-D-Netzwerken mit verschiedenen Konzentrationen von Rinderkollagen nachgeahmt und die Migrationspfade menschlicher CTLs durch diese Matrizen analysiert. Die CTLs zeigten dabei grundsätzlich drei verschiedene Arten von Bewegung: langsam, schnell und gemischt. Die mathematische Modellierung, also die Simulation am Computer, durch die Erstautorin Zeinab Sadjadi legt nahe, dass die Zellen zwischen langsamen und schnellen Zuständen wechseln können. Übertragen auf das Bild des Soldaten bedeutet dies, dass CLTs Pioniere und Kampftruppen sein können, je nachdem, welche Rolle gerade gebraucht wird.

Dass ihre theoretischen Annahmen höchstwahrscheinlich korrekt sind, stützen die Forscher durch eine andere Beobachtung: Ähnliche Bewegungstypen wurden bereits früher für natürliche Killerzellen (NK-Zellen) in Kollagen berichtet, wenn sich in der Umgebung Zielzellen, also Tumorzellen, befanden. NK-Zellen haben ähnliche Immunfunktionen wie CTLs. „Die Ähnlichkeit der Eigenschaften von CTL- und NK-Bewegungsmustern deutet auf einen gemeinsamen Mechanismus für die Migration beider Zelltypen durch Kollagennetzwerke hin“, sagt Rieger. Kurz gesagt: Es liegt nahe, dass CLTs sich ähnlich verhalten wie NK-Zellen.

Experimentelle Beweise unterstützten diese Annahmen. Beispielsweise konnten wandernde T-Zellen einander auf genau derselben Bahn folgen, und die Zellen bewegten sich schnell in kanalähnlichen Hohlräumen innerhalb der Kollagenmatrix.

Für die Zukunft planen die Forscher, den langfristigen Einfluss von T-Zellen auf die ECM zu analysieren. Sie werden ebenfalls untersuchen, ob die Kanäle auch die Fähigkeit der CTLs verbessern, in Kollagenmatrizen nach Zielzellen zu suchen. „Zu verstehen, wie CTLs in solchen Geweben wandern, könnte zu neuen therapeutischen Strategien bei der Verhinderung von Metastasenbildung in frühen Krebsstadien führen“, sagt Rieger.

Ihre Erkenntnisse haben sie in der aktuellen Ausgabe des hochrangigen Fachjournals „Biophysical Journal“ veröffentlicht. Die Herausgeber des Magazins haben die Studie sogar als „Highlight“ der Ausgabe ausgewählt, eine große Ehre, die einer Studie nur selten zuteil wird.

Originalpublikation:

Biophysical Journal, Sadjadi et al.: “Migration of Cytotoxic T Lymphocytes in 3D Collagen Matrices” https://www.cell.com/biophysical-journal/fulltext/S0006-3495(20)30825-0; DOI: 10.1016/j.bpj.2020.10.020