2.8 Tumorstammzelle. Tumorstammzelle

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1 Tumorstammzelle Die Umgebung der Stammzelle, die deren asymmetrische Teilung reguliert, wird als Nische bezeichnet. Als Beispiel mag wiederum die hämatopoetische Stammzelle gelten. Im Verlauf der Transplantation hämatopoetischer Stammzellen finden diese im Knochenmark ihre Nische (Yin u. Li 00). Nach Ansiedlung der Stammzellen in der Nische wird der Pool von Stamm- und Progenitorzellen so reguliert, dass eine normale Zahl an Blutzellen garantiert ist. Die Tatsache, dass der Stammzellpool aufgefüllt wird, zeigt, dass sich Stammzellen unter bestimmten Bedingungen auch symmetrisch teilen können. Nicht in jedem Gewebe ist die Fähigkeit zur Selbsterneuerung und Regeneration des Gewebes auf wenige Zellen beschränkt. So sind einzelne B- und T-Lymphozyten in der Lage, sich nach entsprechenden Reizen zu teilen (klonale Expansion). Bisher gibt es nur für Tumoren der Blutzellen konkrete Beweise, dass die hämatopoetische Stammzelle die Ursprungszelle ist. Für andere Tumoren wird diese Hypothese aus der Isolierung sogenannter tumorinitiierender Zellen oder Tumorstammzellen abgeleitet. Abb.. Selbsterneuerung und Differenzierungswege der somatischen Stammzelle. zu verschiedenen Linien differenzieren; man spricht dann von pluripotenten Stammzellen (Moore u. Lemischka 00; Siminovitch et al. ). Im Verlauf der Blutbildung entstehen aus der pluripotenten Stammzelle z. B. zunächst lymphatische oder myeloische Progenitorzellen, die sich dann in weitere Differenzierungslinien aufspalten. Stammzellen des Dünndarms differenzieren in absorptive Enterozyten, Siegelringzellen, enteroendokrine oder Paneth-Zellen. Die asymmetrische Teilung der Gewebsstammzelle setzt Unterschiede in der Polarität der Zelle voraus. Man unterscheidet intrinsische und extrinsische Determinanten der Zellpolarität. Intrinsische Faktoren sind beispielsweise zellmembranständige Regulatoren der Zellpolarität oder ungleich verteilte zytoplasmatische Faktoren, die die Differenzierungsrichtung (engl. cell fate) einer der beiden Tochterzellen bestimmen. Zu den extrinsischen Determinanten der Zellpolarität zählen direkte Zellkontakte mit umgebenden Zellen und Gewebsstrukturen sowie lösliche Faktoren (Morrison u. Kimble 00).. Tumorstammzelle Wie in vielen Bereichen der molekularen Onkologie spielten Tumoren des hämatopoetischen Systems auch bei der Analyse von Zellpopulationen der Tumoren eine Vorreiterrolle. Dies hängt vor allem damit zusammen, dass die Zellen des Blutsystems keinen Zellverband bilden und daher einer Zellkultivierung und direkten zellbiologischen Analyse einfacher zugänglich sind als solide Tumoren. Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine klonale Tumorerkrankung, bei der unreife Zellen der myeloischen Reihe, sogenannte Myeloblasten, im Knochenmark und im peripheren Blut akkumulieren. Obwohl diese Zellpopulation morphologisch homogen erscheint, ist sie nach biologischen Kriterien heterogen. Nur ein kleiner Anteil der Zellen proliferiert in vivo. Zudem sind nur wenige Zellen in der Lage, in Zellkultur zu Kolonien auszuwachsen, die durch klonales Wachstum einzelner Tumorzellen entstehen. Diese Befunde deuten darauf hin, dass bei akuten Leukämien trotz der offensichtlichen Unreife der Zellen eine Hierarchie der Zellen existiert, und dass, ähnlich wie in der normalen Hämatopoese, die Leukämiezellen von wenigen Ursprungszellen nachgeliefert werden. Diese hypothetischen Ursprungszellen werden als leukämische Stammzellen bezeichnet (Reya et al. 00; Wang u. Dick 00). Zur Erklärung der funktionellen Heterogenität der Tumorzellen bei Leukämien, aber auch bei an- 0

2 Definition und Eigenschaften von Tumoren Abb.. Hypothesen der Tumorentstehung. a Stochastische Theorie: Jede Tumorzelle hat das Potenzial, nach Transplantation mit einer geringen, aber definierten Wahrscheinlichkeit (P) zu einem Tumor (T) auszuwachsen. b Theorie der Tumorstammzelle: Wenige Tumorzellen haben das Potenzial, zu einem Tumor auszuwachsen. Die anderen Tumorzellen haben dieses Potenzial nicht. deren Tumorerkrankungen, gibt es zwei unterschiedliche Hypothesen (Abb..): Die sogenannte stochastische Hypothese geht davon aus, dass die Prozesse der Selbsterneuerung gegenüber der Differenzierung in einzelne Zellen einer Population dem Zufall unterliegen. Nach dieser Hypothese hat jede Tumorzelle eine geringe, aber gleich hohe Wahrscheinlichkeit zu proliferieren und demnach das Potenzial, sich wie eine Stammzelle zu verhalten. Im Gegensatz dazu geht die Stammzellhypothese davon aus, dass in einem Tumor verschiedene Klassen von Tumorzellen vorkommen, die sich im Potenzial von Selbsterneuerung, Proliferation und Differenzierung unterscheiden. Wir werden später sehen, dass es für die Therapie von Tumoren von großer Bedeutung ist, welche dieser beiden Hypothesen zutrifft. Nach der stochastischen Theorie wären Tumorzellen relativ homogen, und die molekularen Veränderungen der Tumorzellen würden das Verhalten aller Tumorzellen determinieren. Therapeutische Ansätze, die gegen bestimmte molekulare Veränderungen gerichtet sind, würden demnach alle oder zumindest die Mehrzahl der Zellen eines Tumors treffen. Im Gegensatz dazu ist die Tumorstammzelle biologisch und funktionell von den übrigen Tumorzellen verschieden. Molekulare Veränderungen könnten demnach erst in Stadien wirksam werden, die der asymmetrischen Teilung der Stammzelle nachgeordnet sind. So könnten z. B. proliferierende Zellen in der Transitzone getroffen werden, nicht hingegen die ruhende Tumorstammzelle. Der therapierte Tumor entspräche Abb.. Theorie der Tumorstammzelle. Ein Tumor enthält einige wenige Stammzellen (dunkelviolett), die die übrigen Tumorzellen (hellviolett) nachliefern. Nur wenn die Tumorstammzellen in einen geeigneten Wirt transplantiert werden, wächst ein Tumor an. einem Baum, der an seiner Basis abgesägt würde, ohne aber die Wurzel zu entfernen. Um zu testen, ob die stochastische Theorie oder die Theorie der Tumorstammzelle für menschliche Tumoren zutrifft, wurden Tumorzellen in Mäuse transplantiert, die kein funktionsfähiges Immunsystem besitzen, in sogenannte SCID-Mäuse (SCID: Severe combined Immunodeficiency) (Lapidot et al. ). Dabei konnte nur eine geringe Anzahl der Tumorzellen zu einem Tumor heranwachsen. Diese Tumorzellen ließen sich über Marker der Zelloberfläche von den übrigen Zellen unterscheiden und von diesen trennen. Demnach lässt sich aus Tumoren eine Fraktion von Zellen isolieren, die sich bei der Entstehung von Tumoren selbst erneuern und asymmetrisch teilen (Abb..). Dies wird allgemein als Beleg für die Existenz von Tumorstammzellen oder tumorinitiierenden Zellen angesehen. Inzwischen wurden solche Zellen auch aus soliden menschlichen Tumoren wie Mammakarzinomen und Glioblastomen isoliert (Al-Hajj et al. 00; Singh et al. 00). Die Hypothese, dass Tumorstammzellen die Masse der Tumorzellen nachliefern, ist nicht gleichbedeutend mit der Hypothese, dass die Tumorstammzellen aus Gewebsstammzellen entstehen. Gewebsstammzellen verfügen über die Eigenschaft der Selbsterneuerung. Diese Eigenschaft bleibt in der Tumorstammzelle erhalten. Unter normalen Bedingungen besitzen die aus einer Stammzelle entstehenden Progenitorzellen diese Eigenschaft nicht. Im Verlauf der Entstehung von Tumoren können die Progenitorzellen jedoch so verändert wer-

3 Mehrstufige Entwicklung eines Tumors Abb.. Wege zur Tumorstammzelle. den, dass das Programm der Selbsterneuerung reaktiviert wird (Abb..). Auch der klonale Ursprung von Tumoren ist nicht gleichbedeutend mit der Entstehung von Tumoren aus Gewebsstammzellen. Dies trifft z. B. auf Tumoren des lymphatischen Systems zu, die zwar klonal, aber nicht aus Gewebsstammzellen entstehen.. Mehrstufige Entwicklung eines Tumors Wie zuvor erläutert, entstehen Tumoren aus ursprünglich gesunden Zellen. Gewebeveränderungen, die bei Vorsorgeuntersuchungen gefunden wurden, belegen, dass sich viele bösartige Tumoren aus normalen Zellen über zunächst noch nicht maligne Vorstufen entwickeln. Die Entwicklung eines Karzinoms über nicht maligne Vorstufen ist bei solchen Tumoren besonders gut dokumentiert, für die es Vorsorgeuntersuchungen gibt. Beim Zervixkarzinom gelten dysplastische Veränderungen als erste nachweisbare Vorstufe eines Karzinoms. In Dysplasien sind Einzelzellen verändert und die Gewebsstruktur ist gestört. Im weiteren Verlauf kann ein lokal begrenztes CIS (Carcinoma in situ) entstehen, aus dem sich ein invasiv wachsendes und metastasierendes Karzinom entwickeln kann. Die mehrstufige Tumorentwicklung ist von herausragender Bedeutung für die Prävention, z. B. des Zervixkarzinoms. Werden bei der mikroskopischen Analyse atypische Zellen innerhalb der von der Zervix abgestrichenen Zellpopulation identifiziert und die Vorstufe eines Karzinoms durch eine anschließende Gewebsuntersuchung bestätigt, kann eine intraepitheliale Neoplasie (CIN) bzw. ein CIS in den meisten Fällen vollständig entfernt werden. Auch für das kolorektale Karzinom sind gutartige Vorstufen bekannt, die bei einer präventiven Dickdarmspiegelung reseziert werden können (Abb..0). Nach Entfernung solcher Tumorvorstufen ist das Auftreten eines Karzinoms im Verlauf der nächsten zehn Jahre äußerst unwahrscheinlich. Diese Beobachtung hat bereits konkrete Auswirkungen auf Maßnahmen zur Prävention des kolorektalen Karzinoms gefunden: Nach einer Dickdarmspiegelung mit negativem Befund kann für einen Zeitraum von bis zu zehn Jahren auf eine weitere Spiegelung verzichtet werden (Schmiegel et al. 00). Schritten von den ersten zellulären Atypien bis zum invasiv wachsenden Karzinom liegen diskrete molekulare Ereignisse zugrunde, die in den Ursprungszellen eines Tumors über Jahre bis Jahrzehnte akkumulieren. Dies zeigt sich u. a. bei dem zuvor erwähnten Melanom. Die erste Läsion, die zur Entstehung eines malignen Melanoms im Erwachsenenalter führen kann, nämlich die Schädigung der Haut durch Sonneneinstrahlung, tritt bereits im frühen Kindesalter auf (Becker u. Wahrendorf ). Tumoren mit genetischer Disposition belegen, dass mindestens zwei molekulare Ereignisse für das Entstehen eines Tumors erforderlich sind: Abb..0 Unterschiedliche Stadien eines Kolonkarzinoms. Links: frühes Stadium. Mehrere kleine, räumlich begrenzte Adenome (Polypen). Rechts: große Tumoren mit makroskopisch sichtbaren Entzündungszeichen (rötlich) und Anzeichen von Nekrosen (eingesackt). (Bilder mit freundlicher Genehmigung von Cornelius Kuhnen, Institut für Pathologie am Clemenshospital Münster.) 0

4 Definition und Eigenschaften von Tumoren Das erste Ereignis wird über die Keimbahn an alle Körperzellen weitergegeben. Das zweite Ereignis trifft die Ursprungszelle des Tumors. Der Progression des Tumors zur Malignität liegen dann weitere Ereignisse zugrunde (Balmain et al. 00)..0 Klonale Evolution von Tumoren Das Konzept der klonalen Evolution eines Tumors wurde von Nowell entwickelt (Nowell ) und basiert auf den Grundprinzipien der klassischen Evolutionstheorie, die Charles Darwin Mitte des. Jahrhunderts formulierte, um die Entstehung der verschiedenen biologischen Arten zu erklären. Danach beruht die Entstehung einer neuen Art auf drei Einzelschritten: zufällige Mutation gerichtete Selektion zumindest vorübergehende räumliche Isolierung Angewandt auf die Tumorentstehung besagt dieses Konzept, dass die Ursprungszelle von Tumoren durch ein initiales Ereignis im Vergleich zu den benachbarten Zellen einen Wachstumsvorteil erhält. Dies führt dazu, dass die Einzelzelle zu einem Klon identischer Zellen expandiert, wenn die Kontrollmechanismen des Wirts dies zulassen. Eine Zelle dieses Klons wird durch ein zweites Ereignis getroffen, wodurch sich wiederum ein Wachstumsvorteil ergibt. Diese Sequenz wiederholt sich, bis eine Zelle schließlich zu einem Tumor auswächst, der den Kontrollmechanismen des Wirts weitgehend entzogen ist. In diesem Modell der klonalen Evolution wird die Zelle eines expandierenden Klons zufällig von einem Ereignis getroffen; welche dies sein wird, kann nicht vorhergesagt werden (stochastisches Abb.. Modell der klonalen Evolution vontumoren. Die Zahlen stehen für Ereignisse, die der betreffenden Zelle und dem daraus entstehenden Zellklon einen Wachstumsvorteil verschaffen.

5 Klonale Evolution von Tumoren Abb.. Selbsterneuerung und Differenzierungswege der Tumorstammzelle. Durch eine zusätzliche Teilungsstufe in der Transitzone ist die Zellzahl erhöht. Die Zellen erreichen nicht die gleiche Differenzierungsstufe wie unter Normalbedingungen (vgl. Abb..). Modell). Das Ereignis kann der betreffenden Zelle einen Wachstumsvorteil verschaffen (Abb..). Unter limitierenden Umweltbedingungen (z. B. Mangel an Sauerstoff und Nährstoffen) können sich die stärkeren Zellklone gegen die schwächeren Zellklone durchsetzen (Merlo et al. 00). Ob eine Mutation von Vor- oder Nachteil für die Zelle ist, entscheiden also die Bedingungen im umgebenden Gewebe. Hier werden die Parallelen zu Darwins Selektionstheorie deutlich, wonach sich diejenigen biologischen Arten durchsetzen, die aufgrund von genetischen Veränderungen am besten an die äußeren Umweltbedingungen angepasst sind. Neben Mutation und Selektion ist die zeitweise räumliche Isolierung die dritte Voraussetzung der biologischen Evolution. Diese Voraussetzung ist bei Tumoren weniger evident. Unter der Annahme, dass Tumorzellen durch Immunzellen eliminiert werden können, wäre eine Abgrenzung z. B. durch eine Kapsel zum Schutz der Tumorzellen hilfreich. Tumorzellen können sich auch von ihrer Umgebung isolieren, indem sie spezielle Kommunikationssysteme entwickeln, die sich von denjenigen der umgebenden Gewebe unterscheiden. Bei solchen Systemen kann es sich beispielsweise um lösliche Faktoren handeln, die auf Tumorzellen, nicht aber auf die umgebenden normalen Zellen wirken. Unter der Annahme, dass es sich bei der Ursprungszelle eines Tumors um eine Gewebsstammzelle handelt und dass die Tumorstammzelle aus dieser Zelle entsteht, ergibt sich ein modifiziertes Modell der klonalen Evolution. Nach diesem Konzept wird die Ursprungszelle des Tumors, nämlich die somatische Stammzelle, von einem Ereignis getroffen, das in den nachfolgenden Zellpopulationen das Gleichgewicht zwischen Proliferation, Differenzierung und Apoptose so verschiebt, dass eine erhöhte Zellzahl resultiert (Abb..). Dies geht in der Regel mit einem veränderten, unreiferen Phänotyp des Gewebes einher. Die Tumorstammzelle wird in der Folge von weiteren Ereignissen getroffen, die schließlich in der Progression zu einem bösartigen Tumor münden, der invasiv wächst und Metastasen in regionären Lymphknoten und entfernten Organen absiedelt (Abb..). Viele Befunde sprechen dafür, dass zumindest in frühen Stadien der Tumorentwicklung das Konzept der klonalen Evolution der Tumorstammzelle zutrifft. In späteren Tumorstadien, wie z. B. im Blastenschub bei chronisch myeloischer Leukämie (CML), kann die klonale Evolution auch auf Ebene der Progenitorzellen stattfinden. Wenn Gewebe regenerieren, wird eine erhöhte Zahl an Gewebsstammzellen benötigt. In diesen Fällen teilen sich Stammzellen symmetrisch, d. h. aus einer Stammzelle entstehen zwei neue Stammzellen. Man geht davon aus, dass sich auch im Verlauf der Tumorentwicklung Tumorstammzellen symmetrisch teilen können. Werden die verschiedenen Stammzellen eines Tumors dann durch unterschiedliche Ereignisse getroffen, so resultieren heterogene Populationen mit divergenten Eigenschaften mit einem unterschiedlichen Potenzial zum invasiven Wachstum und zur Metastasenbildung. 0