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„Die optische Molekülspektroskopie hilft die Diagnose und Therapie von Tumoren zu verbessern“Arbeitsgruppe des Autors

Gerald Steiner

Die molekulare Medizin ist ein neues Gebiet, das sich - wie es der Name sagt - mit molekularen Abläufen der Entstehung und Entwicklung von Krankheiten befasst. Jede Krankheit geht mit molekularen Änderungen einher. Wenn es gelingt, entsprechende Prozesse auf molekularer Ebene zu erkennen, dann ließen sich auch Krankheiten bekämpfen, die bislang noch nicht heilbar sind. Eine elementare Voraussetzung hierfür sind Methoden mit denen sich solche molekulare Prozesse und Zuständen erfassen lassen. Das bringt die Analytische Chemie ins Spiel, die bekanntlich ein breites Repertoire an Methoden zur Aufklärung der Molekülstruktur bereithält. Allerdings lassen sich herkömmliche Methoden nicht ohne weiteres in der molekularen Medizin einsetzten. Zum einen sind Zellen und Gewebe äußerst komplexe Gebilde mit vielen unterschiedlichen biochemischen Verbindungen und zum anderen dürfen die Methoden den Organismus nicht oder nur minimal schädigen. Folglich müssen die etablierten analytischen Methoden an die besonderen Bedingungen der Medizin angepasst werden. Nicht immer ist das möglich und häufig sind Kompromisse erforderlich, die zu starken Einschränkungen in der Anwendung führen. Eine Erfolgsgeschichte ist der Einsatz der optischen Molekülspektroskopie zur Charakterisierung von Zellen und Geweben. Erste Arbeiten reichen bereits mehr als zwanzig Jahre zurück. Heute wird bereits der Wechsel von Spektrometern aus dem Labor in die Klinik eingeläutet.
Die wichtigsten Methoden der optischen Molekülspektroskopie sind die Infrarotspektroskopie und die Ramanspektroskopie. Von allen Verfahren der instrumentellen Bioanalytik besitzen die Infrarot (IR)- und Ramanspektroskopie nach wie vor den höchsten Informationsgehalt über die Struktur und Wechselwirkung von Molekülen und werden deshalb auch als Fingerabdruckmethoden bezeichnet. Sie lassen Zustände und Prozesse in Zellen und Geweben auf molekularem Niveau erkennen. Damit unterscheiden sie sich grundlegend von etablierten klinischen Untersuchungsmethoden. Bildgebende Methoden, die auf spektroskopischen Techniken basieren, stellen ein neuartiges Diagnoseverfahren in der Medizin dar. Man geht davon aus, dass entsprechend der molekularen und strukturellen Zusammensetzung der verschiedenen Zelltypen mithilfe der Spektroskopie molekulare Fingerabdrücke zugeordnet werden können und eine Klassifizierung der Zellen möglich ist.
Am Beispiel der Neurochirurgie soll gezeigt werden, wie sich mit der Fourier-Transform Infrarot (FTIR) Spektroskopie Informationen gewinnen lassen, die mit anderen Methoden nicht zugänglich sind.
Eines der nach wie vor ungelösten Probleme in der Neurochirurgie stellt die Unsicherheit in der Differenzierung des normalen, funktionstragenden Gewebes von pathologischen Gewebsarealen dar, zum Beispiel von infiltrierenden Tumorzellen durchsetztes Gewebe. Intraoperativ kann das Resektionsausmaß, d. h. das zu entfernende Gewebe, nur bedingt kontrolliert werden. Der Operateur ist auf Befunde vor der OP, in erster Linie durch die Magnetresonanztomographie, angewiesen. Die Radikalität einer Tumorexstirpation kann aber in keinem Fall intraoperativ abgebildet werden. Mittels Infrarot- oder Ramanspektroskopie lassen sich Tumorzellen sehr gut von normalem Gewebe unterscheiden, ohne dass aufwändige und zeitintensive histologische Untersuchungen durchgeführt werden müssen. Die Abb. 1 zeigt, wie ähnliche Tumorzellen von genetisch unterschiedlichen Zelllinen des sehr aggressiven Glioblastoms ohne Färbung und ohne immunhistochemische Markierung mittels FTIR Imaging Spektroskopie differenziert werden können.

Abbildung 1: Spektroskopische Klassifizierung von human Glioblastomzellen. Drei genetisch unterschiedliche Zelllinen einer Form des aggressiven Hirntumors wurden mittels FTIR spektroskopischem Imaging charakterisiert. A) mikroskopisches Bild der Zellkultur. B) FTIR spektroskopisches Bild, der Kontrast beruht auf der Integration aller Extinktionswerte. C) Ergebnis der spektroskopischen Klassifikation. Jeder Gruppe (Zelllinie) wurde durch den Klassifizierungsalgorithmus eine Farbe zugeordnet.

Da die spektralen Unterschiede nur sehr klein sind, müssen entsprechend leistungsstarke mathematische Verfahren zur Differenzierung eingesetzt werden. Diese Klassifizierungsmethoden, die auch als chemometrisches Imaging bezeichnet werden, sind in der Lage, selbst geringste Unterschiede in den spektralen Signaturen zu erkennen und den entsprechenden Zelltypen oder Gewebeklassen zuzuordnen. Wie das Beispiel in der Abb. 1 zeigt, wurden für jede Probe die meisten Spektren richtig zugeordnet. Fehlklassifizierungen entstehen durch sehr ähnliche, spektroskopisch nicht mehr zu trennende Merkmale. Obgleich diese Experimente noch im Labor stattfinden, eröffnen sie doch die Möglichkeit, intraoperativ die speziellen Merkmale des Tumors auf molekularem Niveau zu bestimmen und somit eine individuelle Therapie vorzunehmen.
Mit der FTIR Spektroskopie lassen sich nicht nur Tumorzellen identifizieren, sondern auch neurale Stammzellen und in Zukunft sicherlich auch die heute stark diskutierten Tumorstammzellen erkennen. Das Potenzial liegt hier vor allem in der Verbesserung der Therapie von besonders bösartigen Hirntumoren. Die Prognose dieser Tumore, insbesondere der Glioblastome, hat sich in den letzten Jahrzehnten, trotz moderner Operationstechniken und der Kombination verschiedenster multimodaler Therapien, nur wenig verbessert. Um die Herausforderung besser zu verdeutlichen, zeigt die Abb. 2 ein Gehirn mit einem Tumor. Selbst der erfahrende Neurochirurg kann anhand des visuellen Bildes die genaue Grenze zwischen normalem und pathologischem Gewebe nicht sicher identifizieren. Auftretende diffuse Infiltrationen der funktionalen Areale durch Tumore sind dabei ein großes diagnostisches Problem. Die histologische Beurteilung der anatomischen Strukturen und der pathologischen Klassifizierung von Tumorgewebe stellt bis heute den Goldstandard dar. Dennoch ist es in vielen Fällen nicht möglich, anhand der histologischen Untersuchung eine genaue Klassifizierung des Tumors operationsbegleitend vorzunehmen. Hier kann der Einsatz der Molekülspektroskopie bei gleichzeitiger morphologischer Darstellung und pathologischer Differenzierung die Sicherheit der Behandlung verbessern. Gegenwärtig werden geringste Gewebeproben mittels FTIR-Spektroskopie direkt im OP-Saal während des neurochirurgischen Eingriffs charakterisiert. Obgleich sich diese Arbeiten noch im Stadium der Forschung befinden, zeichnet sich schon jetzt das große Potenzial der analytischen Methoden in der intraoperativen Diagnostik ab.

Abbildung 2: Gehirn mit normalem Gewebe (obere Region) und pathologischem Gewebe (etwa ab Mitte bis unteres Drittel des Bildes). Die Grenze ist nur schwer bzw. gar nicht im sichtbaren Licht zu identifizieren.

Ein weiterer wesentlicher Unsicherheitsfaktor im Rahmen der neuroonkologischen Fragestellung stellt die unzureichende Kenntnis des genauen zellulären Phänotyps und der zeitlichen Änderungen des Phänotyps in Folge von therapeutischen Interventionen dar. Hierzu zählt beispielsweise die Antwort auf Differenzierungsstrategien (Abb. 3) oder zytostatischen Therapien. Mit Kenntnis der Differenzierungswege lassen sich auch gezielt funktionale Gewebeareale regenerieren. Man hofft so in Zukunft auch Rückenmarksverletzungen mittels Geweberegeneration behandeln zu können. (Abb. 3).

Die spektroskopische Differenzierung von neuralen Zellen führt auch in der Therapie von heute noch schwer zu behandelnden Tumorformen zu Fortschritten. Insbesondere die außergewöhnlich hohe Therapieresistenz der Glioblastome ist nur ansatzweise geklärt und wird speziellen, stammzellähnlichen Tumorzellfraktionen zugeschrieben. Die Existenz solcher Tumorstammzellen ist erst seit kurzer Zeit bekannt. Leider lassen sich diese Zellen nicht mit herkömmlichen Methoden eindeutig lebend klassifizieren. Dies ist aber zwingend notwendig für die Entwicklung und Überprüfung neuer Therapieansätze. Einzig die Methoden der optischen Molekülspektroskopie besitzen heute das Potenzial, Zellen anhand ihrer biochemischen Komposition in-situ und ohne Marker zu identifizieren. In der Abb. 4 zeigt FTIR Spektren von neuralen Stammzellen und differenzierte Zellen.

Abbildung 3: Links: Bekannte Differenzierungspfade neuraler Stammzellen (NSC). Rechts: Vision zur Behandlung von Rückenmarksverletzung aus regeneriertem Nervengewebe. Die Gewinnung des regenerierten Gewebes ist nur durch eine Überwachung und Steuerung der Differenzierung möglich. Molekülspektroskopische Methoden erlauben die Charakterisierung der Zellen in-situ und ohne Markierung.

Abbildung 4: FTIR Spektren von neuralen Stammzellen und ausdifferenzierten Zellen. Minimale, aber signifikante spektrale Unterschiede lassen sich vor allem Glykolipiden und Proteinen zuordnen. Auch der Anteil von RNA träg zur Unterscheidung der Zellen mit bei.

Anhand des spektroskopischen Fingerabdruckes lassen sich das Differenzierungsbild und der Proliferationszustand einer Tumorzelle bestimmen und damit die Abfolge und Entscheidung für weitere Therapien optimieren. Perspektivisch sind die Methoden auch intraoperativ anwendbar, was zu einer deutlichen Verbesserung der Prognose führen könnte und somit die hohe klinische Bedeutung der analytischen Methoden unterstreicht.


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