27.04.2016

PSI forscht an neuer Krebsbehandlungsmethode

Forschende am Paul Scherrer Institut (PSI) untersuchen eine neue Methode, um radioaktive Substanzen gezielt in den Zellkern von Krebszellen einzuschleusen. Die Strahlenquelle bleibt dadurch in der Zelle und wirkt gezielter, weil sie näher an deren Erbinformation gelangt. Das Verfahren verspricht, bestimmte Krebsarten in Zukunft wirksamer und mit weniger Nebenwirkungen behandeln zu können als mit einer Chemotherapie.

Eines der wichtigsten Ziele in der Krebstherapie ist es, die Erbinformation der Desoxyribonukleinsäure (DNA) im Kern entarteter Zellen zu treffen. Bei Krebszellen bewirkt eine krankhaft veränderte DNA, dass sich die Zelle schneller und häufiger teilt als normale. Viele Zellgifte, die in der Chemotherapie von Krebserkrankungen eingesetzt werden, schaffen es bis in den Zellkern hinein und greifen dort genau in jene Vorgänge ein, die für die Zellteilung wichtig sind. Andere wiederum stören den Stoffwechsel der Tumorzellen und behindern dadurch ihr Wachstum. Sie wirken alle innerhalb der Zelle und besonders dann, wenn sich die Zelle teilt. Doch viele solche Zellgifte sind unspezifisch und greifen auch andere sich häufig erneuernde Körpergewebe wie Haare oder Schleimhaut an. Bei einer herkömmlichen Strahlenbehandlung von aussen können ebenso gesunde Zellen Schaden nehmen. Gezielter wirken bereits radioaktive Medikamente, die der Patient in den Blutkreislauf gespritzt bekommt. Die verwendeten Radionuklide bleiben dann aussen an Zellen haften oder werden ins Zellplasma transportiert. Sie dringen jedoch nicht in den Zellkern hinein.
 

Zwei Lösungsansätze

Um die Wirkung der radioaktiven Nuklide zu verbessern, untersucht die Pharmazeutin Cristina Müller vom Zentrum für Radiopharmazeutische Wissenschaften (ZRW) am PSI gemeinsam mit ihrem Team eine Möglichkeit, die Nuklide in den Zellkern einzuschleusen. Dies gelingt auf zweierlei Weise: Einerseits kommt ein neues Nuklid zum Einsatz, das bislang noch nicht bei Patienten verwendet wird, und andererseits wird die radioaktive Substanz mit einem bestimmten Eiweissmolekül – einer NLS (Nuclear Localization Sequence: Kernlokalisierungssequenz) – gekoppelt. Diese NLS kann die Hülle des Zellkerns passieren und so beliebige Substanzen einschleusen.

Müller und ihr Team verwenden für ihre Studien Terbium, ein Metall der seltenen Erden. Das Element ist besonders interessant, weil es davon vier verschiedene radioaktive Nuklide gibt, die unterschiedliche Strahlungsarten emittieren. Sie decken das ganze Spektrum der nuklearmedizinischen Diagnostik und Behandlung ab. Die Entwicklung für die klinische Anwendung steht freilich erst am Anfang, denn einige dieser Nuklide lassen sich nur sehr schwer herstellen. Das Isotop Terbium-161 (Tb-161), mit dem Müller derzeit arbeitet, wird am PSI an der Neutronenquelle SINQ aus Gadolinium erzeugt.
 

Angriff im Zellkern

Tb-161 sendet zwei Arten Strahlung aus, die eine unterschiedliche Reichweite haben. «Die beiden Strahlungsarten ergänzen sich und können daher gemeinsam in der Krebstherapie genutzt werden», erklärt Müller. Eine dieser Strahlungsarten ist die einige Millimeter weit reichende Beta-Minus-Strahlung (β-). Diese durchdringt die ganze Zelle und Hunderte von Nachbarzellen.

Daneben emittiert Tb-161 auch sogenannte Auger-Elektronen. Deren Reichweite ist mit weniger als einem Mikrometer viel kleiner als der Durchmesser einer Zelle. Somit würden Auger-Elektronen an der Aussenseite einer Tumorzelle kaum einen Nutzen bringen. Im Inneren des Zellkerns jedoch können sie die DNA-Stränge so schädigen, dass sich die Zelle nicht mehr teilt. «In unseren Experimenten an Zellkulturen haben wir jetzt gezeigt, dass dieses Prinzip wirklich funktioniert und die Zellen mehr Doppelstrangbrüche der DNA aufweisen», so die Pharmazeutin, «aber nur, wenn wir die radioaktive Substanz vorher mit einer NLS koppeln.»

Vielfältige Therapieanwendung in Aussicht

Müller ist überzeugt, dass mit einer geeigneten Radionuklidtherapie bestimmte Krebsarten in Zukunft wirksamer und mit weniger Nebenwirkungen behandelbar sind als mit einer Chemotherapie. So wäre Tb-161 dank der sehr geringen Reichweite seiner Auger-Elektronen besonders geeignet, einzeln im Körper verstreute Krebszellen oder Zellhaufen abzutöten. Hinzu kommt, dass die β--Strahlung dieses Nuklids sowie seine Halbwertszeit von knapp sieben Tagen vergleichbar mit den Werten des Radionuklids Lutetium-177 ist, dass gemäss PSI heute in der Krebsbehandlung eingesetzt wird. Diesem gegenüber hat Tb-161 mit seinen zwei Strahlungsarten den Vorteil der doppelten Wirkung.

Trotz des grossen Potenzials der radioaktiven Medikamente stehen noch viele Jahre Entwicklungsarbeit bevor. «Mit unserer Forschung wollen wir eine Optimierung der Radionuklidtherapie auf zwei Ebenen erreichen, indem wir einerseits ein effektiveres Nuklid verwenden und andererseits dieses Nuklid an den Ort bringen, wo es am besten wirkt», betont die Wissenschafterin.

Die zwei Strahlenarten von Tb-161

Das radioaktive Nuklid Tb-161, das Forschende am PSI als Krebsmedikament untersuchen wollen, erzeugt zwei Arten von Strahlung: β--Strahlung sowie Auger-Elektronen. Physikalisch gesehen bestehen beide Strahlungsarten aus Elektronen, die aber einen verschiedenen Ursprung im Atom und eine unterschiedliche Bewegungsenergie haben. Die Elektronen der β--Strahlung entstehen, wenn ein Neutron im Atomkern zerfällt und sich dabei in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino umwandelt. Diese Elektronen haben eine hohe Bewegungsenergie und deswegen eine relativ grosse Reichweite im Gewebe. Auger-Elektronen hingegen stammen aus der Elektronenhülle, aus der sie in einem komplexen Prozess herausgeschleudert werden. Ihre Energie und damit auch die Reichweite im Gewebe ist deutlich kleiner als diejenige der Elektronen aus dem β--Zerfall. Während die β--Strahlung bereits zu medizinischen Zwecken an Patienten verwendet wird, sind Auger-Elektronen bislang erst unter Laborbedingungen im Einsatz.

Die Pharmazeutin Cristina Müller untersucht, wie sich die Wirkung radioaktive Stoffe direkt im Zellkern verbessern lässt.
Quelle: PSI / Mahir Dzambegovic
Quelle: 
M.B. nach PSI, Medienmitteilung, 21. April 2016