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Krebs Nachweis von Tumorzellen durch Blockade der Hämsynthese

| Autor / Redakteur: Wolfgang Kemmner* und Bernd Ebert* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Häufig ist nicht der primäre Tumor, sondern dessen Metastasen die Ursache für den fatalen Ausgang vieler Karzinomerkrankungen. Ein Fluroeszenzverfahren soll jetzt die schnellere Diagnose ermöglichen und damit für bessere Therapierfolge bei Krebserkrankungen sorgen.

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Abb.1: Endoskopischer Nachweis der endogenen PpIX-Fluoreszenz von Tumoren. Zu sehen ist eine optische Faser, die das Anregungslicht durch den Arbeitskanal des Endoskops leitet und gleichzeitig die abgestrahlten Fluoreszenzphotonen zur Analyse über einen Strahlteiler auf den Detektor lenkt.
Abb.1: Endoskopischer Nachweis der endogenen PpIX-Fluoreszenz von Tumoren. Zu sehen ist eine optische Faser, die das Anregungslicht durch den Arbeitskanal des Endoskops leitet und gleichzeitig die abgestrahlten Fluoreszenzphotonen zur Analyse über einen Strahlteiler auf den Detektor lenkt.
(Bild: MDC Berlin)

Ein Zwischenprodukt der Herstellung des roten Blutfarbstoffs (Häm) ist der fluoreszierende Metabolit Protoporphyrin IX (PpIX), der durch das Enzym Ferrochelatase (Fech) in Häm umgewandelt wird. In Tumorgewebe ist die Aktivität des Enzyms Fech herabgesetzt. Deshalb reichert sich das fluoreszierende PpIX dort an. Durch das Abschalten (Silencing) der Fech mittels einer spezifischen siRNA kann dieser Prozess dramatisch verstärkt werden, sodass die fluoreszierenden Tumorzellen durch neue optische Verfahren für das menschliche Auge sichtbar werden. Inzwischen ist es gelungen, die spezifische siRNA zum Silencing der Fech so zu verpacken, dass diese humane Karzinome, die auf Nacktmäuse transplantiert wurden, zum Leuchten bringt. Neben dem Einsatz zur frühen Erkennung von Tumorzellen hat dieses Verfahren auch ein hohes Potenzial für biotechnologische Prozesse, um schnell und einfach den Erfolg einer siRNA-Transfektion zu testen.

Karzinome zeigen endogene Fluoreszenz

Schon seit längerem ist bekannt, dass Karzinome eine endogene Fluoreszenz im langwelligen Bereich um 633 nm zeigen (s. Abb. 1). Diese wird hervorgerufen durch die Akkumulation eines fluoreszierenden Metaboliten der Hämsynthese, des Protoporphyrin IX (PpIX). Häm ist unentbehrlich für den Energiestoffwechsel der Zelle. Daher findet die Hämsynthese in nahezu allen Zellen eukaryotischer Organismen statt. An der Synthese des Häms sind zahlreiche Enzyme beteiligt. Die Grundlagen für die endogene Bildung von PpIX im Karzinomgewebe waren bisher nicht geklärt. Durch Analysen der Genexpression in Primärtumoren des Dickdarms, Magens und der Speiseröhre konnte am Max-Delbrück-Centrum (MDC) in Berlin gezeigt werden, dass vor allem die Expression der Ferrochelatase (Fech) in solchen Karzinomen signifikant verringert ist. Die Ferrochelatase katalysiert den letzten Schritt der Hämsynthese, den Einbau von Eisen in Protoporphyrin-IX (s. Abb. 2). Um die Rolle der Ferrochelatase für die PpIX-Akkumulation besser zu verstehen, wurde die Fech-Expression mittels der RNAi-Technik spezifisch inhibiert. Das dadurch erreichte Silencing der Fech durch den Einsatz von spezifischen siRNA-Molekülen führte zu einem Anstieg der PpIX-Konzentration in den Zellen um das 20-fache. Durch eine Kombination aus siRNA mit einer geringen Menge der Ausgangssubstanz der Hämsynthese, der 5-Aminolävulinsäure, konnte die PpIX-Konzentration sogar um mehr als das 50-fache gesteigert werden. Der Anstieg der roten Fluoreszenz des PpIX in den Zellen kann direkt mittels Zwei-Photonenmikroskopie beobachtet werden (s. Abb. 3). Da die empfindliche Detektion von PpIX im Tumorgewebe spezielle Nachweisverfahren erfordert (s. Abb. 4), kooperieren in diesem Projekt Wissenschaftler des MDC mit Kollegen an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB).

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