MALDI-Massenspektrometrie ermöglicht Differenzierung von Chemoresistenzen unterschiedlichen Grades in Krebszellen

Einem Forschungsteam der Universitätsklinik für Radiologie und Nuklearmedizin in Zusammenarbeit mit der Klinischen Abteilung für Onkologie an der Universitätsklinik für Innere Medizin I ist es gelungen, erstmals mittels Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation Massenspektrometrie den Nachweis von Proteinmustern aus extrazellulären Vesikeln von chemoresistenten Krebszellen zu erbringen. Dabei konnten sie zeigen, dass es unter Anwendung von multivariater Statistik möglich ist, eine Differenzierung von Chemoresistenzen unterschiedlichen Grades vorzunehmen.

Eine der größten Hürden in der Chemotherapie von Krebserkrankungen stellt die Entwicklung von Resistenzen gegen das Therapeutikum dar. Eine entscheidende Frage dabei ist, wie die Resistenzen aus ursprünglich sensitiven Zellen entstehen und sich im Körper ausbreiten können. Untersuchungen haben gezeigt, dass direkt aus den Tumorzellen abstammende, extrazelluläre Vesikel (EVs) für die Verbreitung von molekularen Informationen (z.B. DNA, RNA, usw.) im Organismus verantwortlich sind und gesunde Zellen entsprechend „umprogrammieren“ können. EVs stellen zelluläre Organellen im Nanometer-Bereich dar, die praktisch in allen Körperflüssigkeiten von Tieren und Menschen nachgewiesen werden können. Im Gegensatz zur invasiven Gewebsbiopsie ermöglicht die Diagnostik aus Körperflüssigkeiten („Flüssigbiopsie“), PatientInnen wesentlich regelmäßiger und mit geringer Belastung untersuchen und den Verlauf von Therapien besser verfolgen zu können. Aufgrund der geringen Größe und Konzentration von EVs werden allerdings Techniken höchster Sensitivität benötigt, um deren gesamtes diagnostisches Potential analytisch ausschöpfen zu können.

Die Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation Massenspektrometrie (MALDI-MS) stellt nicht nur eine sehr empfindliche, sondern auch robuste und kostengünstige Analysenmethode dar. Ein besonderer Vorteil dieser Technik ist die Möglichkeit, ein breites Spektrum von Molekülen aus praktisch allen Arten von biologischen Proben (z.B. Zellkultur, Gewebe, Körperflüssigkeiten, usw.) zu messen und so ein "Biomarkerprofil" zu erstellen. Dabei dauert die Aufnahme einer Probe in der Regel nur einen Bruchteil einer Minute. Dies macht MALDI-MS besonders für die klinische Diagnostik attraktiv.

Differenzierung von Chemoresistenzen unterschiedlichen Grades in Krebszellen möglich
Während MALDI-MS im Bereich der Identifizierung von Bakterien bereits weltweit routinemäßig eingesetzt wird, steckt deren Anwendung im Bereich der Krebsdiagnostik noch in den Kinderschuhen. Nun ist es dem Forscherteam unter Leitung von Gerald Stübiger von der Universitätsklinik für Radiologie und Nuklearmedizin in Zusammenarbeit mit Robert Mader, Klinische Abteilung für Onkologie an der Universitätsklinik für Innere Medizin I und Koordinator des CCC-Forschungsclusters Experimental Therapy and Drug Resistance, gelungen, diese Technik für den Nachweis von Proteinmustern aus EVs von chemoresistenten Krebszellen erstmalig einzusetzen. Dabei konnten sie zeigen, dass es unter Anwendung von multivariater Statistik anhand der Proteinmuster von EVs möglich ist, eine Differenzierung von Chemoresistenzen unterschiedlichen Grades in Krebszellen vornehmen zu können. Zu diesem Zweck wurde ein zelluläres Darmkrebsmodell, bestehend aus sensitiven, primären Tumorzellen, sowie einer Lymphknoten-Metastasen Zelllinie und deren Subklonen mit steigender Resistenz gegen 5-Fluorouracil, eingesetzt. Wie die Experimente zeigten, würde die aus den Zellüberständen isolierte Menge an EVs ausreichen, um ein charakteristisches Proteinprofil auch aus wenigen Millilitern Blut mittels MALDI-MS nachweisen zu können. „Erstaunlicherweise lieferten die Daten der EVs dabei sogar bessere Ergebnisse als die entsprechenden Ausgangszellen selbst. Dies deutet darauf hin, dass diese bestimmte Proteine exprimieren, die direkt mit der Anpassung der Zellen an steigende Dosen von Chemotherapeutika in Zusammenhang stehen und mit der Verbreitung dieser im Organismus im Zuge der Metastasierung in Verbindung stehen könnten. Übersetzt auf den lebenden Organismus, stellt dies ein starkes Argument für die Vorteile der Flüssigbiopsie dar. Der nächste Schritt in der Strategie der Forscher wird nun die Identifizierung der Proteinmarker sein, um die zugrundeliegenden Mechanismen besser zu verstehen und danach in die klinische Anwendung bringen zu können.

„Unsere Arbeit öffnet den Weg in ein völlig neues Gebiet der Anwendung von MALDI-MS in der klinischen Diagnostik und darüber hinaus“, erklärt Gerald Stübiger. Durch die universelle Verbreitung von EVs sind der Technik grundsätzlich keine Grenzen gesetzt. Eine besondere Herausforderung stellt jedoch die Isolierung der Vesikel selbst dar, die momentan noch eine sehr zeit- und arbeitsaufwendige Methode ist. Es ist daher noch einiges an Entwicklungsarbeit zu tun und auch finanzielle Unterstützung notwendig. „Wir hoffen, dass unsere Arbeit auf ein breites Interesse stoßen wird, um weitere Partner aus der Forschung und Industrie dafür gewinnen zu können“, so Stübiger.

Service:
Stübiger G, Nairn MD, Abban TK, Openshaw ME, Mancera L, Herzig B, Wuczkowski M, Senfter D, Mader RM. MALDI-MS Protein Profiling of Chemoresistance in Extracellular Vesicles of Cancer Cells. Anal Chem. 2018 Nov 1. doi: 10.1021/acs.analchem.8b03756. [Epub ahead of print]