Künstliches Zellgedächtnis könnte Krebsforschung revolutionieren – und endlich das Rätsel um resistente Tumorzellen lösen

Ein künstliches Zellgedächtnis speichert Genaktivitäten innerhalb der Zellen. Die neue Methode könnte helfen, persistierende Krebszellen nach einer Therapie zu erforschen und Krebsrückfälle besser zu verstehen.

Warum überleben manche Krebszellen eine Chemotherapie? Diese Entwicklung lässt sich bisher nicht untersuchen oder gar vorhersagen. Doch ist sie bis heute eine der großen Hürden in der Forschung, um Krebsrückfälle zu verhindern. Einen vielversprechenden Ansatz könnte eine neue Technologie bieten, die Forscher der ETH Zürich entwickelt haben. Denn sie können damit in die Vergangenheit von Zellen blicken.

Welche Gene in einer Zelle in der Vergangenheit eingeschaltet waren, beispielsweise um einer Chemotherapie zu trotzen, ließ sich bislang kaum nachvollziehen. Zellen verändern ständig ihre Aktivität und reagieren sehr kurzfristig auf äußere Einflüsse. Ist der Störfaktor weg, kehrt die Zelle rasch zum „Normalbetrieb“ zurück. Diese verborgenen Vorgänge aufzudecken, könnte künftig helfen, Persistenzen von Krebszellen zu erforschen.

Das künstliche Zellgedächtnis speichert kurzlebige RNA-Moleküle innerhalb lebender Zellen und schützt sie vor dem Abbau. Dadurch bleiben Informationen über frühere Genaktivitäten mehrere Tage erhalten. Im Fachjournal Nature Biotechnology beschreiben die Wissenschaftler, wie sich damit vergangene Zellreaktionen rekonstruieren lassen.

Eingeschleuste Proteinbausteine helfen bei der Konservierung

Für ihr künstliches Archiv nutzen die Forscher einen Mechanismus, der an natürliche Schutzstrukturen in Zellen erinnert. Bei Infektionen oder anderen Belastungen entstehen sogenannte Stressgranula. Das sind Ansammlungen, in denen die Zelle RNA-Moleküle zwischenlagert, während sie bestimmte Stoffwechselprozesse vorübergehend drosselt. Ein Protein aus diesem Mechanismus dient als Grundlage der neuen Technologie.

Dafür entwickelten die Experten ein System aus drei speziell angepassten Proteinen. Die Bauanleitungen dafür schleusten sie mithilfe kleiner DNA-Moleküle in menschliche Zellen. Dort bauten die Zellen das RNA-Archiv selbst auf. Es bildet eine schützende Schicht um die Mitochondrien, die Energieversorger der Zellen. In dieser Schicht sammeln sich RNA-Moleküle und bleiben vor ihrem natürlichen Abbau geschützt.

RNA-Archiv macht Immunreaktionen noch Tage später sichtbar

Wie leistungsfähig diese Technik ist, belegten die Forscher mit Versuchen an menschlichen Zellkulturen. Das künstliche Archiv konnte eine breite Auswahl der vorhandenen Genabschriften aufnehmen. Dabei speichert das System jeweils einen Teil der RNA-Moleküle, nicht deren gesamte Menge. Bei der leistungsfähigsten Variante waren bis zu 90 Prozent der nachgewiesenen Genabschriften darin vertreten.

Anschließend untersuchten die Wissenschaftler, wie Zellen auf Interferon-beta reagieren. Dieser Botenstoff steuert bestimmte Abwehrreaktionen des Immunsystems. Nach einer 20-stündigen Behandlung entfernten sie den Reiz wieder. Zwei Tage später waren die üblichen molekularen Hinweise auf die Reaktion weitgehend verschwunden. Im künstlichen Archiv blieben sie dagegen nachweisbar. Unter bestimmten Versuchsbedingungen gelang das sogar noch nach fünf Tagen.

Zellgedächtnis könnte Krebsrückfälle erklären

Besonders interessant wäre das Zellarchiv für die Erforschung von Tumorzellen, die eine Chemotherapie überstehen. Solche Zellen können trotz zunächst erfolgreicher Behandlung im Körper verbleiben und später einen Rückfall begünstigen. „Welche Zellen sich zu solchen persistierenden Zellen entwickeln werden, ist nicht von vornherein bekannt und schlecht verstanden“, sagt ETH-Forscher Christopher Reinkemeier. Bislang ist es rückblickend auch nicht nachvollziehbar, welche Veränderungen die Zellen durchlaufen, um resistent zu werden.

Das künstliche Archiv könnte künftig helfen, überlebende Tumorzellen nachträglich zu untersuchen. „Wenn wir unser System in der Krebsforschung einsetzen können, werden wir persistierende Zellen isolieren und in deren Vergangenheit blicken können“, erklärt Reinkemeier. Daraus erhofft sich das Team Hinweise darauf, wie solche widerstandsfähigen Zellen entstehen. Bislang wurde diese Anwendung allerdings noch nicht an entsprechenden Krebszellen erprobt.

Bis zum Einsatz in der Krebstherapie noch weitere Forschung nötig

Zunächst muss die Technologie auch außerhalb der bisherigen Zellkulturen funktionieren. Erste Untersuchungen ergaben keine wesentlichen Beeinträchtigungen der Zellfunktionen durch das Einsetzen eines Archivs. Allerdings nimmt die gespeicherte Information mit der Zeit ab, besonders wenn sich Zellen häufig teilen. Für längerfristige Untersuchungen sind deshalb weitere Verbesserungen erforderlich.

Die ETH Zürich hat die Technologie bereits zum Patent angemeldet. Als nächste Schritte planen die Wissenschaftler Versuche in Tieren sowie Anwendungen in der Krebsforschung. Dabei soll sich unter anderem klären, ob sich die Vorgeschichte einzelner überlebender Tumorzellen zuverlässig rekonstruieren lässt. Bis zum Einsatz in der medizinischen Diagnostik oder Krebsbehandlung ist es dennoch ein weiter Weg.

Kurz zusammengefasst:

Forscher der ETH Zürich haben ein künstliches Zellgedächtnis entwickelt, das Genaktivitäten mithilfe gespeicherter RNA-Moleküle noch Tage später sichtbar macht.
Dieses RNA-Archiv sitzt in einer schützende Schicht an den Mitochondrien, die verhindert, dass die eingefangenen RNA-Moleküle wie üblich schnell abgebaut werden.
In der Krebsforschung könnte diese Methode künftig helfen, herauszufinden, warum manche Tumorzellen eine Chemotherapie überleben und später einen Rückfall auslösen.

Übrigens: Die Aktivität von Zellen ist auch auf anderer Ebene wichtig für die Krebsforschung. Nicht alle Zellen teilen sich auf die gleiche Weise – manche symmetrisch zur Mutterzelle, andere asymmetrisch und weisen damit auch andere Eigenschaften auf. Im Fall von Krebs könnte die asymmetrische Teilung dafür verantwortlich sein, wie aggressiv ein Tumor wächst. Mehr dazu in unserem Artikel.