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Krebsforschung

Neutronen als neue Waffe gegen Krebs

| Autor/ Redakteur: Matthew Blakeley* / Dr. Ilka Ottleben

Ihre zerstörungsfreie Natur macht Neutronenstrahlen zum idealen Werkzeug für die Analyse chemischer und biologischer Materialien. Dank zunehmend leistungsfähiger Bildgebungstechniken lässt sich so ein besseres Verständnis biologischer Systeme gewinnen – das könnte die Target-Identifizierung in der Medikamentenentwicklung revolutionieren.

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Abb. 1: Galektine sind kohlenstoffbindende Proteine, die sich über die Kohlenstoffmoleküle auf ihrer Oberfläche mit anderen Proteinen verbinden. Eine aktuelle Studie deutet darauf hin, dass Galectin-3 bei der Entwicklung von Brustkrebs und dessen metastasischer Ausbreitung im Körper eine Rolle spielt. (Ausschnitt)
Abb. 1: Galektine sind kohlenstoffbindende Proteine, die sich über die Kohlenstoffmoleküle auf ihrer Oberfläche mit anderen Proteinen verbinden. Eine aktuelle Studie deutet darauf hin, dass Galectin-3 bei der Entwicklung von Brustkrebs und dessen metastasischer Ausbreitung im Körper eine Rolle spielt. (Ausschnitt)
(Bild: Institut Laue-Langevin (ILL)

Trotz verbesserter Diagnostik und neuen Behandlungsmöglichkeiten: Krebsleiden sind hierzulande Todesursache Nr. 2. Überrundet nur durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Die Krebssterblichkeit sinkt seit den 1990er Jahren zwar stetig, doch die absolute Zahl der Krebs-Neuerkrankungen hat sich in Deutschland seit Anfang der 1970er Jahre nahezu verdoppelt. Eine wesentliche, jedoch nicht alleinige Ursache ist die demografische Alterung der Bevölkerung. Doch viele Krebserkrankungen sind noch immer ursächlich nicht im Detail verstanden, was aussichtsreiche Therapieoptionen einschränkt.

Auf der Suche nach Krebsursachen

Krebs bezeichnet eine Gruppe von Erkrankungen, bei denen abnormales Zellenwachstum auftritt, das sich potenziell auf andere Teile des Körpers ausweiten kann. Die Entwicklung von Krebserkrankungen ist ein komplexer Prozess, der auf kleinen Fehlern in einem ansonsten normal funktionierenden Netzwerk von zellulären Prozessen beruhen kann. Für Wissenschaftler ist es sehr wichtig, sich ein klares Bild der biochemischen Prozesse auf atomarer Ebene zu machen, um ein tiefes Verständnis darüber zu erlangen, wie verschiedene Krebsarten auftreten und sich entwickeln.

Eine Methode dafür, die heute mehr und mehr als ein wichtiges Werkzeug in der Krebsforschung angesehen wird, ist die Neutronenkristallographie. Sie erlaubt es den Wissenschaftlern, die atomaren Strukturen von Proteinen einschließlich der Position der Wasserstoffatome zu visualisieren – Schlüsselakteure bei nahezu allen biochemischen Reaktionen und Prozessen. Zudem verursachen Neutronen keine Schäden an den Proben, sodass sich die Strukturen bei Raumtemperatur, nah am Bereich physiologischer Temperaturen, bestimmen lassen. Damit bietet die Neutronenforschung wichtige Vorteile gegenüber anderen analytischen Methoden beispielsweise Röntgenstrahlen, mit denen sich die wichtigen Wasserstoffatome in der Regel nicht orten lassen und wo die Datenerfassung durch Strahlungsschäden an den Proben erschwert wird, die zu Änderungen der Struktur führen können.

Neutronenkristallographie als Schlüssel?

Eine vor kurzem veröffentlichte Studie zu Galectin-3, einem Mitglied der Galektinfamilie von Proteinen, verdeutlicht, wie die Neutronenkristallographie unser Wissen zu Proteinen erweitern kann, die an der Entwicklung verschiedener Arten von Krebserkrankungen beteiligt sind. Galektine sind kohlenstoffbindende Proteine, die sich über die Kohlenstoffmoleküle auf ihrer Oberfläche mit anderen Proteinen verbinden. Wenn Galectin-3 überexprimiert ist, kann dies die Haftung von Brustkrebszellen an anderen Zellen im menschlichen Körper verbessern. Dies deutet darauf hin, dass es bei der Entwicklung von Tumoren und bei der metastasischen Ausbreitung des Krebses im Körper eine Rolle spielt.

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In Zusammenarbeit mit der Universität Lund (Schweden) verwendete ein Forschungsprojekt das LADI-III-Instrument an der weltweit führenden Neutronenanlage, dem Institut Laue-Langevin (ILL), sowie Neutroneninstrumente im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und im Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum (MLZ), um zu untersuchen, wie Galectin-3 sich an spezifische Kohlenhydrate bindet. Durch den Einsatz von Neutronenkristallographie konnten erstmalig die entscheidenden Bindungsinteraktionen am aktiven Standort des Proteins, nämlich die Wasserstoffbrücken, visualisiert werden.

Die Ergebnisse dieser Studie [1] sind signifikant, denn wenn die Galektinbindung von bösartigen Zellen tatsächlich zu den Hauptschuldigen für das Fortschreiten von Brustkrebs gehört, könnte ein Medikament, das als Inhibitor für diese Bindung fungiert, therapeutisch wirksam sein. Ein genaues Verständnis der grundlegenden Wasserstoffbindungsinteraktionen kann wiederum dabei helfen, die Entwicklung von Galectin-3-Inhibitoren zu optimieren.

Bis jetzt basierte das Verständnis dieser Bindungsprozesse auf Strukturen, die anhand von Röntgenkristallographie ermittelt wurden. Aber selbst bei höchsten Auflösungen (besser als 0,1 nm) war es bisher unmöglich, die Positionen der Wasserstoffatome zu ermitteln, welche die wasserstoffbindenden Interaktionen aufdecken und bestimmen, wie die Bindung von Zuckern erfolgt. Mit Neutronenkristallographie können die Wasserstoffatome jedoch auch bei mittleren Auflösungen (ca. 0,2 nm) und bei Raumtemperatur sichtbar gemacht werden, sodass dies tatsächlich die leistungsfähigste Methode ist, um diese kritisch wichtigen Wechselwirkungen zu untersuchen.

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Ilka Ottleben

Ilka Ottleben

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