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Die Faszination der Grundlagenforschung

Am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) in Heidelberg gewinnen Forscher Einblicke in grundlegende Funktionen auf zellulärer oder subzellulärer Ebene. (CliniCum 7-8/17)

Das europäische Grundlagenforschungsinstitut (EMBL) in Heidelberg wird von mehr als 20 Staaten finanziert, unter anderem von Österreich, das auch zu den Gründungsmitgliedern der inzwischen äußerst renommierten Forschungseinrichtung zählt.
Das europäische Grundlagenforschungsinstitut (EMBL) in Heidelberg wird von mehr als 20 Staaten finanziert, unter anderem von Österreich, das auch zu den Gründungsmitgliedern der inzwischen äußerst renommierten Forschungseinrichtung zählt.

Zwei Zellkerne, kompakte, dicht beieinander liegende rote Kugeln. Plötzlich gerät einer der beiden in Aufruhr, verwandelt sich in ein Gewirr von Chromosomen, die sich wie Würmer umeinander winden. Dann löst sich das Gewühl auf, und die einzelnen Chromosomen schießen wie Speere in Richtung anderer Kern und dringen in ihn ein. Nun verwandelt sich auch dieser in ein Gewimmel von Chromosomen, bevor er zur Ruhe kommt und schließlich als neuer kompakter Zellkern in sich ruht. Solche faszinierenden, mit Laserlichtschnitt-Verfahren aufgenommenen Bilder der Fusion einer Eizelle und eines Spermiums bekamen die Teilnehmer einer Studienreise der European Union of Science Journalists‘ Associations (EUSJA) zum Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (European Molecular Biology Laboratory, EMBL) in Heidelberg zu sehen.

Das EMBL ist ein europäisches Grundlagenforschungsinstitut, das sich über öffentliche Forschungsgelder von über 20 Staaten finanziert, darunter auch Österreich, das 1974 zu den Gründungsmitgliedern des ­EMBL gehörte. „Das EMBL ist Europas Flaggschiff für die Biowissenschaften“, betont EMBL-Direktor Prof. Dr. Iain Mattaj. Etwa 85 un­abhängige Forschungsgruppen be­ackern an insgesamt sechs Standorten in ganz Europa Forschungsfelder aus dem gesamten Spektrum der Molekularbiologie. „Eine der Besonderheiten des EMBL ist es, dass brillanten junge Wissenschaftlern bereits am Anfang ihrer Karriere die Möglichkeit gegeben wird, eigenständig Forschung zu betreiben“, erklärt Mattaj.

Eine spezielle Regelung sorgt für ständigen frischen Wind: „Die Verträge aller Mitarbeiter sind auf neun Jahre begrenzt“, bekräftigt der Direktor. Auf diese Weise ist garantiert, dass sich die Einrichtung stets selbst erneuert und dass es nie an frischen Ideen mangelt. „Unsere Forschungen sollen die Entwicklung neuer Technologien und Methoden in den Biowissenschaften vorantreiben. Und wir versuchen, dieses Wissen in einen praktischen Nutzen für die Gesellschaft zu überführen“, erläutert Mattaj. Jüngstes Beispiel sind Erkenntnisse in Zusammenhang mit Rückfällen bei Brustkrebs.

Stoffwechsel von Krebszellen

Dank ständiger Verbesserungen in der Erstlinientherapie überleben immer mehr Patientinnen eine Brustkrebserkrankung. Doch es gibt Krebszellen, die Chemotherapie und Mastektomie überstehen und von denen dann ein abermaliges Tumorwachstum ausgeht. Diese sogenannten residualen Krebszellen sind bislang kaum aufzuspüren, weil sie in vielerlei Hinsicht wie ganz normale Zellen wirken. ­EMBL-Forscher haben nun am Mausmodell herausgefunden, dass die residualen Krebszellen molekulare Eigenschaften besitzen, die sie deutlich von normalen Zellen unterscheiden: sie haben einen erhöhten Lipidstoffwechsel, der dazu beiträgt, dass sie einen höheren Level an reaktiven Sauerstoffverbindungen aufweisen – Moleküle, die dafür bekannt sind, DNA zu beschädigen. Die Forscher vermuten, dass dies zum Wiederauftritt von Brustkrebs beiträgt. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der Fettstoffwechsel von Krebszellen ein spannendes therapeutisches Target ist, um das Wiederauftreten von Brustkrebs reduzieren zu können“, erklärt Dr. Kristina Havas-Cavalletti, die den Großteil dieser Forschungen durchgeführt hat.

Blut-Hirn-Schranke

Tumormetastasierung ist das Forschungsgebiet von Dr. Matthia Karreman. Die Forscherin untersucht, wie Tumorzellen die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Denn trotz der hauptsächlich aus Endothelzellen bestehenden Barriere zwischen Blutkreislauf und Zentralnervensystem schaffen es gestreute Tumorzellen, ins ­Gehirn vorzudringen und dort Metastasen zu bilden. Bereits in der Vergangenheit ist es Karreman gelungen, einzelne Tumorzellen in den Gehirnkapillaren von Mäusen in vivo sichtbar zu machen. Im Zuge ihrer jüngs­ten Forschungen hat sie es geschafft, mittels einer Kombination von Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie Tumorzellen direkt beim Übertritt von einer Kapillare ins Gehirn zu erwischen. Die Ergebnisse sind noch nicht publiziert, daher wird geheim gehalten, auf welche Weise die Tumorzellen das Kunststück vollbringen. Erste Möglichkeit: sie schlängeln sich zwischen den Endothelzellen durch. Zweite Variante: sie bohren eine Art Stollen durch eine einzelne Endothelzelle. Dritte Spielart: sie dringen zuerst in eine Endothelzelle ein, um sich dann auf der anderen Seite wieder hinauszudrängen.

In Gewebeproben von Patienten erkannten die EMBL-Forscher, dass die sogenannten residualen Krebszellen (rechts) in unterschiedlichen Brustkrebstypen die gleichen chemischen Eigenschaften aufweisen (braun).
In Gewebeproben von Patienten erkannten die EMBL-Forscher, dass die sogenannten residualen Krebszellen (rechts) in unterschiedlichen Brustkrebstypen die gleichen chemischen Eigenschaften aufweisen (braun).

Notruf sterbender Neuronen

EMBL-Forscher haben auch interessante Aspekte des Immunsystems erforscht, namentlich Mikrogliazellen. Diese mobilen Zellen haben die Aufgabe, im Gehirn Reste abgestorbener Neuronen zu beseitigen. Lange war unklar, wie sie den Weg zu einer verletzten Stelle finden, um dann dort die Zellreste zu verschlingen. Nun aber haben Molekularbiologen im Gehirn von Zebrafischen den Mechanismus ausfindig gemacht, mit dem die Mikrogliazellen zu Hilfe gerufen werden. „Verletzte Neuronen haben einen eigenen Notruf: sie senden ein Molekül namens Glutamat aus“, erzählt Dr. Francesca Peri, die am ­EMBL eine eigene Forschergruppe leitet. Wenn die benachbarten Neuronen das Glutamat wahrnehmen, dann beginnen sie, Kalzium aufzunehmen und ein drittes Molekül namens ATP freizusetzen. Weitere angrenzende Neuronen tun es ihnen gleich, nehmen Kalzium auf und schütten ATP aus. Es entsteht eine Kettenreaktion – eine Welle von ATP breitet sich von dem verletzten Neuron aus. „Wenn die Welle die Mikrogliazellen erreicht, ist das wie ein Weckruf. Dann verfolgen die Mikrogliazellen die Welle zurück zu ihrem Ursprung und treten in Aktion“, beschreibt Peri den Vorgang.

Eigenschaften des Zellskeletts

Die winzigen Verletzungen im Gehirn der Zebrafische wurden den kleinen Tieren mithilfe von Nano-Laserchirurgie zugefügt. Diese Technologie, bei der mit einem Nano-Laserskalpell Schnitte innerhalb einzelner Zellen durchgeführt werden können, wird auch bei anderen Forschungen eingesetzt. Eine Forschergruppe zum Beispiel untersucht die biophysischen Eigenschaften des Zellskeletts, das verantwortlich für die mechanische Stabilisierung einer Zelle und ihre äußere Form ist. Dazu werden die Mikrofilamente – fadenförmige Proteinstrukturen, die eine Rolle bei aktiven Bewegungen der Zellen, bei intrazellulären Transportvorgängen und bei der mechanischen Stabili­sierung der Zellen spielen – durchtrennt. Es stellte sich heraus, dass sich Mikrofilamente – anders als etwa das menschliche Skelett – nicht einfach entzweiteilen lassen. Die getrennten Enden nämlich finden schnell wieder zusammen. „Diese Strukturen sind ziemlich anders als unser Skelett. Sie verfügen über viskoelastische Ei­genschaften“, erzählt Dr. Christian Tischer von der Advanced Light ­Microscopy Facility des EMBL, in der die allerneuesten Technologien der Lichtmikroskopie in den Dienst der Forschung gestellt werden. Zell­skelette verhalten sich also teilweise wie Festkörper, teilweise wie Flüssigkeiten.

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