Nature-Studie enthüllt, warum sich Krebs auf die Wirbelsäule ausbreiten kann

Die Wirbelknochen, aus denen die Wirbelsäule besteht, leiten sich offenbar von einer bestimmten Art von Stammzellen ab, die ein Protein absondern, das die Tumormetastasierung begünstigt. Das belegt eine in „Nature“ veröffentlichte Studie von Wissenschaftlern von Weill Cornell Medicine in New York, USA.

Die Entdeckung eröffnet eine neue Forschungsrichtung zu Wirbelsäulenerkrankungen, hilft zu erklären, warum sich solide Tumoren so häufig auf die Wirbelsäule ausbreiten, und könnte zu neuen orthopädischen und Krebsbehandlungen führen.

In der am 13. September in “Nature” veröffentlichten Studie entdeckten die Forscher, dass Wirbelknochen sich aus Stammzellen ableiten, die sich von anderen knochenbildenden Stammzellen unterscheiden. Mithilfe knochenähnlicher „Organoide“ aus Wirbelstammzellen zeigten sie, dass die bekannte Tendenz von Tumoren, sich auf die Wirbelsäule auszubreiten – mehr als auf lange Knochen wie Beinknochen – hauptsächlich auf ein Protein namens MFGE8 zurückzuführen ist, das von diesen Stammzellen abgesondert wird.

„Wir vermuten, dass viele Knochenerkrankungen, die vorzugsweise die Wirbelsäule betreffen, auf die besonderen Eigenschaften von Wirbelknochenstammzellen zurückzuführen sind“, sagte Seniorautor Dr. Matthew Greenblatt, außerordentlicher Professor für Pathologie und Labormedizin und Mitglied des Sandra and Edward Meyer Cancer Center am Weill Cornell Medicine und Pathologe am NewYork-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center.

In den letzten Jahren haben Greenblatt und andere Wissenschaftler herausgefunden, dass sich verschiedene Knochentypen aus verschiedenen Typen von Knochenstammzellen ableiten. Da sich Wirbel im Vergleich zu anderen Knochen wie Arm- und Beinknochen früh im Leben auf einem anderen Weg entwickeln und offenbar auch einen anderen Pfad in der evolutionären Entwicklung durchlaufen haben, stellten Greenblatt und sein Team die Hypothese auf, dass wahrscheinlich eine bestimmte Wirbelstammzelle existiert .

Die Forscher isolierten zunächst aus verschiedenen Knochen von Labormäusen skelettale Stammzellen, aus denen alle Knochen und Knorpel entstehen, und zwar auf der Grundlage bekannter Oberflächenproteinmarker solcher Zellen. Anschließend analysierten sie die Genaktivität in diesen Zellen, um zu sehen, ob sie ein eindeutiges Muster für diejenigen finden konnten, die mit Wirbelknochen verbunden sind.

Diese Bemühungen brachten zwei wichtige Erkenntnisse hervor. Die erste war eine neue und genauere, auf Oberflächenmarkern basierende Definition von skelettalen Stammzellen als Ganzes. Diese neue Definition schloss eine Reihe von Zellen aus, bei denen es sich nicht um Stammzellen handelte, die in der alten Stammzellendefinition enthalten waren, wodurch einige frühere Forschungen auf diesem Gebiet eingetrübt wurden.

Das zweite Ergebnis war, dass Skelettstammzellen aus verschiedenen Knochen tatsächlich systematisch in ihrer Genaktivität variieren. Anhand dieser Analyse identifizierte das Team einen bestimmten Satz von Markern für Wirbelstammzellen und bestätigte die funktionelle Rolle dieser Zellen bei der Bildung von Wirbelsäulenknochen in weiteren Experimenten an Mäusen und in Zellkultursystemen in Laborschalen.

Als nächstes untersuchten die Forscher das Phänomen der relativen Anziehungskraft der Wirbelsäule auf Tumormetastasen – einschließlich Brust-, Prostata- und Lungentumormetastasen – im Vergleich zu anderen Knochenarten. Die traditionelle Theorie aus den 1940er Jahren besagt, dass sich dieser „spinale Tropismus“ auf Muster des Blutflusses bezieht, die Metastasen bevorzugt in die Wirbelsäule und nicht in die Röhrenknochen befördern. Doch als die Forscher das Phänomen des spinalen Tropismus in Tiermodellen reproduzierten, fanden sie Evidenz dafür, dass der Blutfluss nicht die Erklärung ist – sie fanden vielmehr einen Hinweis, der darauf hindeutet, dass Wirbelstammzellen die möglichen Übeltäter sind.

„Wir beobachteten, dass die Stelle der anfänglichen Aussaat metastatischer Tumorzellen überwiegend in einem Bereich des Knochenmarks lag, in dem sich Wirbelstammzellen und ihre Nachkommenzellen befinden würden“, sagte der Erstautor der Studie, Dr. Jun Sun, Postdoktorand im Greenblatt-Labor.

Anschließend stellte das Team fest, dass durch die Entfernung von Wirbelstammzellen der Unterschied in der Metastasierungsrate zwischen Wirbelsäulenknochen und Röhrenknochen beseitigt wurde. Letztendlich stellten sie fest, dass MFGE8, ein Protein, das von Wirbelstammzellen im Vergleich zu Röhrenknochenstammzellen in größeren Mengen ausgeschieden wird, einen wesentlichen Beitrag zum spinalen Tropismus leistet. Um die Relevanz der Ergebnisse beim Menschen zu bestätigen, arbeitete das Team mit Forschern des Hospital for Special Surgery zusammen, um die menschlichen Gegenstücke zu den Wirbelstammzellen der Maus zu identifizieren und ihre Eigenschaften zu charakterisieren.

Die Forscher erforschen nun Methoden zur Blockierung von MFGE8, um das Risiko einer Wirbelsäulenmetastasierung bei Krebspatienten zu verringern. Ganz allgemein, so Greenblatt, untersuchen sie, wie die besonderen Eigenschaften von Wirbelstammzellen zu Wirbelsäulenerkrankungen beitragen.

„In der Orthopädie gibt es eine Unterdisziplin namens Wirbelsäulenorthopädie, und wir glauben, dass die meisten Erkrankungen in dieser klinischen Kategorie mit dieser Stammzelle zu tun haben, die wir gerade identifiziert haben“, erklärte Greenblatt.