Klinischer Forschungsschwerpunkt

Wenn der Sauerstoff fehlt

Sauerstoffmangel kann bei Tumoren zu aggressivem Wachstum führen. Die Forschenden des Klinischen Forschungsschwerpunkts «Tumor Oxygenierung» untersuchen, warum das so ist und verfolgen dabei mehrere vielversprechende Ansätze im methodischen, klinischen und präklinischen Bereich.  

Marita Fuchs

«Die wissenschaftliche Herausforderung besteht vor allem darin, die mit Sauerstoff unterversorgten Tumorbereiche zu identifizieren», Professor Martin Wolf, Leiter des Klinischen Forschungsschwerpunkts Tumor Oxygenierung.

Ohne Sauerstoff (O2) können wir nur wenige Minuten überleben. Die roten Blutkörperchen transportieren das lebensnotwendige Gas aus der Lunge zu jeder Zelle unseres Körpers, wo es für die Energieversorgung unentbehrlich ist. Eine Mangelversorgung des Gewebes mit Sauerstoff nennen die Mediziner eine Hypoxie. Zu Hypoxien kommt es häufig auch in Krebstumoren, verursacht werden sie durch das unkontrollierte Wachstum und die chaotische Struktur der Blutgefässe.

Die Einsicht, dass Sauerstoff bei Krebs eine grosse Rolle spielt, ist altbekannt und trotzdem aktuell: Bereits 1930 hatte der Nobelpreisträger Otto Heinrich Warburg die Hypothese aufgestellt, dass Tumore entstehen können, weil die Energiegewinnung von Zellen gestört sei. Heute ist bestätigt, dass die Hypoxie den Stoffwechsel im Tumor verändert und damit auch sein Verhalten. «Wie Studien zeigen, werden durch den Sauerstoffmangel die Tumore aggressiver und Tumorzellen wandern in der Folge eher über die Blut- und Lymphgefässe zu anderen Organen. Dort können sich dann Metastasen bilden», sagt Martin Wolf, Leiter des Klinischen Forschungsschwerpunkts Tumor Oxygenierung und Professor für biomedizinische Optik an der UZH.

Sauerstoff als wichtiger Biomarker

Hypoxien entstehen in etwas mehr als der Hälfte aller festen Tumore. Für die betroffenen Patienten ist das keine gute Nachricht, denn Tumore mit Hypoxie sprechen schlechter auf eine Strahlen- oder Chemotherapie an als mit Sauerstoff gesättigte Tumorzellen. In zwei Studien zeigten Patienten mit hypoxischen Tumoren nach fünf Jahren eine zwei- bis dreifach kleinere Überlebensrate.

Sauerstoff ist also ein wichtiger Indikator für den Verlauf einer Krebskrankheit. «Dieser Biomarker wird leider bis heute nicht routinemässig in der Klinik gemessen», bedauert Wolf. Das möchten die Forscherinnen und Forscher mit dem Klinischen Forschungsschwerpunkt ändern.

Die insgesamt etwa 27 Forschenden arbeiten in neun Gruppen an methodischen, präklinischen und klinischen Studien zum Einfluss des Sauerstoffs bei Krebs. Um das Fachgebiet einzugrenzen, haben sie ihren Fokus zunächst auf die Rolle von Sauerstoff bei Hals-, Kopf- und Nackentumoren gelegt.

Suche nach nicht-invasiven Methoden

Bis heute kann man die Versorgung eines Tumors mit Sauerstoff durch Messung des Sauerstoffpartialdrucks (pO2) im Tumor erfassen. Dazu werden dünne Nadeln und Sonden an vielen Stellen in die Geschwulst eingeführt. «Dieses Verfahren ist jedoch invasiv und unangenehm für die Patienten», sagt Wolf. Deshalb suchen er und sein Team nach geeigneten Messmethoden und neuen Verfahren. Die klinische Forschungsgruppe hat sich dabei zum Ziel gesetzt, nicht-invasive Methoden – wie etwa bildgebende Verfahren – zu entwickeln. Sie wollen dabei sauerstoffarme Bereiche im Tumor kenntlich machen. «Jeder Tumor ist anders, deshalb muss jeder Tumorpatient individuell untersucht werden können», sagt Wolf. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht dabei vor allem darin, die mit Sauerstoff unterversorgten Stellen zu identifizieren.

Mit bildgebenden Verfahren das Gewebe durchleuchten

Mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) können die Forschenden den Sauerstoffgehalt und die Durchblutung der Zellen darstellen. Dabei nutzen sie Kontrastmittel, um die hypoxischen Stellen zu markieren. Ebenso wird an neuen Verfahren mit Magnetresonanz (MRI) experimentiert. Beim MRI „füttern“ die Forschenden die Zellen mit CO2, es öffnet die Gefässe und die Forschenden können beobachten, wie die Tumore darauf reagieren. Durch diese Manöver hofft man, Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt des Tumors zu ziehen.

Wolf und sein Team arbeiten zudem an einer anderen bildgebenden spektroskopischen Methode: Sie versuchen mit Nahinfrarotlicht das Blutvolumen und dessen Sauerstoffgehalt im Gewebe zu erfassen. Das Nahinfrarotlicht wird verwendet, um das Gewebe zu durchleuchten und somit eine Analyse von Gewebeschichten zu ermöglichen. Messungen des Sauerstoffgehaltes und Blutvolumens von Gewebe basieren darauf, dass der rote Blutfarbstoff Hämoglobin, der als Hauptsauerstofftransporteur im Körper fungiert, seine Farbe mit dem Sauerstoffgehalt ändert. Somit kann anhand der Lichtdurchlässigkeit die Hämoglobin- bzw. Blutkonzentration bestimmt werden und anhand der Farbe der Sauerstoffgehalt.

«Die Nahinfrarotspektroskopie wird von Patienten sehr geschätzt, weil die Messungen nicht-invasiv und schmerzlos sind und Nahinfrarotlicht in den verwendeten Intensitäten harmlos ist», erklärt Wolf. Der Nachteil dieser Methode liegt jedoch darin, dass das Infrarotlicht nur einige Zentimeter tief ins Gewebe eindringen und daher im Moment nicht alle Tumore erfassen kann. Auch hier wollen die Forschenden neue Ansatzpunkte entwickeln.

Gezielt hypoxische Tumorteile zerstören

Ein wichtiges Ziel des Klinischen Forschungsschwerpunktes ist es, die Heilungschancen bei Patienten mit hypoxischen Tumoren zu verbessern. In der präklinischen Gruppe des Forschungsschwerpunktes arbeiten die Forschenden an einem besseren Verständnis, wie die Hypoxie die Tumore genau negativ beeinflusst, was für neue Behandlungsansätze sich daraus ergeben und welchen Einfluss verschiedene Faktoren dabei ausüben. Zum Beispiel spielen Entzündungen bei der Entstehung und dem Wachstum von Tumoren eine grosse Rolle. Untersucht wird, wie Entzündungen und Oxygenierung sich gegenseitig beeinflussen.

Effizienter behandeln

Anders in der klinischen Gruppe des Forschungsschwerpunkts. Hier geht es darum, wie die Diagnose neben bildgebenden Verfahren auch mit Einbezug von Biomarkern aus Blut und Speichelproben, verbessert werden kann. Neue Therapien werden dabei getestet, die auf die Hypoxie des Tumors abgestimmt sind. «In der Chirurgie müssen wahrscheinlich hypoxische Tumore radikaler operiert werden. Sprich: Es muss mehr Gewebe entfernt und unter Umständen mit mehr funktionellen Einbussen operiert werden», sagt Wolf. Zudem testet die Forschungsgruppe ein neues Medikament. Patienten mit hypoxischem Gewebe erhalten in einer randomisierten Studie einen Wirkstoff, der auf hypoxische Bereiche im Gewebe reagiert und aktiviert wird. Gezielt werden dadurch hypoxische Tumorteile zerstört.

In der Strahlentherapie ist es heute möglich, die Dosis örtlich stark anzupassen. Dies kann ausgenutzt werden, um zum Beispiel hypoxische Stellen mit einer besonders hohen Dosis zu bestrahlen. «Es besteht eine grosse Hoffnung, dass aufgrund der Fortschritte, die durch den KFSP erzielt werden, Patienten mit hypoxischen Tumoren in Zukunft besser behandelt werden können und sich ihre Überlebensrate entsprechend erhöht», sagt Wolf mit Zuversicht.

Marita Fuchs, Redaktorin UZH News.

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