Mit einem Glühwürmchen-Gen bringen Wissenschaftler mehr Licht in die Krebsbekämpfung. Leuchtende Tumorzellen sollen helfen, die Wirksamkeit von Medikamenten schneller und preiswerter zu überprüfen.
Licht aus – Spezialkamera an: Das Schwarzweißbild auf dem Computer von Prof. Christopher Contag zeigt drei kleine Mäuse, die friedlich auf dem Bauch nebeneinander liegen. Plötzlich erscheinen auf dem Rücken jeder Maus bunte Pünktchen, die binnen weniger Minuten zu violetten bis knallroten Flecken anwachsen. Bei einem der Tiere bleibt der Fleck klein und violett, bei den beiden anderen glüht er scharlachrot und bedeckt bald die gesamte hintere Rückenpartie. „Alle drei Tiere haben Krebs”, erklärt Contag, „doch die Maus mit dem violetten Fleck erhielt ein wirksames Medikament und ist auf dem Weg der Genesung.” Für den Forscher an der kalifornischen Stanford University gehören die ungewöhnlichen Flecken-Bilder zum wissenschaftlichen Alltag. Vor drei Jahren entwickelte Contag zusammen mit seinem Kollegen Prof. Robert S. Negrin die neue Diagnosetechnik, die seither wortwörtlich mehr Licht in die Krebsforschung bringt: Die Mediziner bauten das für das Leuchten der Glühwürmchen verantwortliche Gen in menschliche Tumorzellen ein. „Diese Zellen verhalten sich nun wie kleine Lampen”, erklärt Contag. „Sobald sie in den Körper der Versuchstiere gelangen und sich dort vermehren, fangen sie an zu glühen.” Mit einer Spezialkamera können die krankmachenden Zellen durch das Fell der Tiere hindurch aufgenommen und beobachtet werden. Möglich macht das ein Photoprotein namens Luciferase. Das Enzym ist in der Natur weit verbreitet und läßt nicht nur Glühwürmchen leuchten. Die Biolumineszenz findet sich auch bei diversen Einzellern, Insekten und Meerestieren (siehe bild der wissenschaft 7/97, „Strahlende Monster”). Das Licht ist Produkt einer biochemischen Reaktion: Das „Glühen” kommt zustande, wenn Luciferase mit einem Substrat – Luciferin – reagiert. Außerdem muß die Zelle chemische Energieträger, Sauerstoff und andere Biofaktoren liefern, sonst bleibt es dunkel. Wissenschaftler haben zwar schon seit Jahrzehnten die genetische Bauanleitung für Luciferase in Fische und Pflanzen eingeschleust, die von Natur aus eher nicht-leuchtende Organismen sind. Dem Team von Contag ist es jedoch erstmals gelungen, das Leuchten in einem lebenden Säugetier-Körper direkt und „live” sichtbar zu machen. Bereits 1995 bauten Contag und seine Kollegen Luciferase in das Bakterium Salmonella typhimurium ein, das bei Mäusen typhusähnliche Symptome hervorruft. Damit konnte der Ablauf der Erkrankung am lebenden Tier verfolgt werden. Mit bloßem Auge ist das Leuchten der Mäuse allerdings nicht zu sehen. Die Forscher brauchen dafür eine 70000 Dollar teure Spezial-Videokamera, die ursprünglich für die Beobachtung ferner Galaxien gebaut wurde. „Unsere narkotisierten Mäuse kommen in eine schwarze Box, die lichtundurchlässig ist”, erklärt Contag die Prozedur. Zunächst wird eine Schwarzweißaufnahme angefertigt, um die Position der Tiere zu ermitteln, dann geht das Licht aus. Jedes Photon, das aus den Mäusen kommt, wird von der Kamera eingefangen und millionenfach verstärkt. Diese Information wird zu einem Computer weitergeleitet. Ein Software-Programm ordnet der gemessenen Lichtintensität Farben zu – Rot und Orange für die stärksten Signale, Blau und Violett für die schwachen. Die farbigen Kleckse schieben sich über die Schwarzweißaufnahme – und innerhalb von fünf Minuten haben die Wissenschaftler einen Eindruck von der Ausbreitung und Schwere der Erkrankung. Contag studiert mit dieser Technik den Verlauf diverser Krebsarten wie Lymphknoten- und Brustkrebs, aber auch von Infektionskrankheiten wie E.Coli-Säuglings-Enteritis, eine für Kleinkinder tödliche Darmentzündung. Contag: „Für diese Diagnose-Technik gibt es rein theoretisch keine Limits. Neben Tumorzellen können auch Bakterien und selbst HI-Viren mit dem Leucht-Gen ausgestattet werden.” Am Zentrum für Knochenmarktransplantation der Universitätsklinik Stanford hat Prof. Negrin die Effizienz und die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Biolumineszenz-Technik frühzeitig erkannt. Bei der Krebsbehandlung mit Chemotherapie und Bestrahlung werden die meisten Krebszellen abgetötet – allerdings wird auch das blutbildende System heftig in Mitleidenschaft gezogen. Deshalb bekommen in den USA jährlich mehr als 15000 Patienten, hauptsächlich Leukämie-Kranke, im Anschluß an die Behandlung Knochenmark von einem gesunden Spender übertragen. Das Problem: Rund 40 Prozent erleiden einen Rückfall. Auf der Suche nach einer wirksamen Therapie beschäftigen sich Negrin und sein Team mit sogenannten Cytokin-induzierten Killer-T-Zellen (CIK). Sie isolieren dazu Immunzellen aus dem Blut des Patienten und vermehren sie in Gewebekulturen. Die Zellen werden mit stimulierenden Cytokinen behandelt. Nach etwa drei Wochen hat man große Mengen aktivierter Immunzellen, die Tumorzellen zerstören können. „Erhalten Patienten direkt nach einer Kno-chenmarktransplantation CIK-Zellen, sollen diese Immunzellen auch die letzten Tumorzellen eliminieren.” Mit den „glühenden Mäusen” konnte Negrin seine These überprüfen. Die Versuchstiere bekamen winzige Mengen von Tumorzellen mit Leucht-Gen, um den Zustand nach einer Chemotherapie zu simulieren. Anschließend wurden sie mit CIK-Zellen aus dem Blut von Patienten oder aus der Milz von Versuchstieren behandelt. „Mit der Biolumineszenz-Technik findet man die Nadel im Heuhaufen”, freut sich Negrin. Selbst Tumore, die nur aus 1000 Zellen bestehen, macht die Spezialkamera sichtbar. Mit traditionellen Methoden sind Tumore dagegen erst ab einer Million Zellen aufzuspüren. Ein weiterer Vorteil: Negrin kann sich seine Mäuse anschauen, wann immer es das Versuchsprotokoll erfordert. Das spart Zeit – und Tiere: Anstatt die Mäuse zu töten und nach dem Tumor zu suchen, muß er sie nur betäuben, in die schwarze Box packen und eine Aufnahme anfertigen. Im Vergleich zur herkömmlichen Diagnostik werden damit 75 Prozent weniger Versuchstiere benötigt. „Wenn wir anhand der Aufnahmen erkennen, daß zum Beispiel die Dosierung des Medikaments verändert werden muß, dann können wir sofort eingreifen”, sagt Negrin. „Wir müssen nicht erst warten, bis das Tier stirbt, um dann eine Reihe von teuren und zeitintensiven Untersuchungen vorzunehmen.” Die Leucht-Mäuse geben Anlaß zu der Hoffnung, daß die CIK-Therapie auch bei Menschen erfolgreich sein könnte. Gegenwärtig werden die ersten Patienten mit aktivierten Immunzellen behandelt. Eine Reihe von Forschungsinstituten und Pharmafirmen hat bereits ihre Labors mit der Biolumineszenz-Diagnostik ausgestattet. Contag ist überzeugt: „ Unsere Methode zeigt, daß Krebsmedikamente künftig nicht nur schneller, sondern auch kostengünstiger auf ihre Wirksamkeit getestet werden können.” Die Krebsforschung ist um eine Waffe reicher.
Désirée Karge
