Wissenschaftler der UC San Francisco haben einen groß angelegten Screen entwickelt, der effizient Medikamente identifiziert, die in Kombination starke Krebskiller sind, aber nur schwach wirksam sind, wenn sie allein verwendet werden. Mit dieser Technik rotteten die Forscher einen verheerenden Blutkrebs und bestimmte solide Tumorzellen aus, indem sie gemeinsam Medikamente verabreichten, die nur teilweise wirksam sind, wenn sie als Einzelwirkstofftherapien verwendet werden. Die Bemühung, eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen UCSF-Forschern, wird in einer Studie beschrieben, die am 9. April in der Zeitschrift Cell Reports veröffentlicht wurde.
Als Wissenschaftler die ersten zielgerichteten Krebstherapien entwickelten – Medikamente, die in bestimmte biologische Sch altkreise eingreifen, von denen Krebs für Wachstum und Überleben abhängt – dachten viele, sie hätten den Krebs endlich in die Enge getrieben. Aber Krebs ist eine verheerend clevere Krankheit, die diese Präzisionsmedikamente überlisten kann, indem sie sich selbst „neu verdrahtet“, um die Sch altkreise zu umgehen, die durch diese Medikamente ausgesch altet werden.
"Viele Krebsarten sprechen entweder nicht auf eine einzelne zielgerichtete Therapie an oder entwickeln nach anfänglichem Ansprechen eine Resistenz. Die Vorstellung, dass die Kombination zielgerichteter Therapien ein weitaus wirksamerer Weg zur Behandlung von Krebs ist als ein Ansatz mit einem einzelnen Medikament, besteht seit langem. Wir wollte Bildschirme mit sättigender Abdeckung durchführen, um genau zu verstehen, welche Kombinationen untersucht werden sollten", sagte Jeroen Roose, PhD, Professor für Anatomie von der UCSF und leitender Autor der neuen Studie.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass, wenn sie zwei unterschiedliche Sch altkreise mit zwei verschiedenen Medikamenten anvisieren – von denen jedes für sich allein unzureichend ist – die Gesamtwirkung größer sein kann als die Summe seiner Teile. Es bleibt jedoch eine Herausforderung herauszufinden, welche Medikamente synergetisch wirken können, um Krebs abzutöten.
Um die Leistungsfähigkeit ihres Screening-Systems zu demonstrieren, suchten die Wissenschaftler nach zielgerichteten Therapien, die ihre Kräfte bündeln könnten, um einen aggressiven Blutkrebs namens akute lymphoblastische T-Zell-Leukämie (T-ALL) abzutöten. Ihre Jagd begann mit einem Medikament, das auf PI3K abzielt, ein Enzym, das das Wachstum vieler Krebsarten, einschließlich T-ALL, fördert. Obwohl es bereits Medikamente gibt, die auf PI3K abzielen, kann die aktuelle Ernte von PI3K-Inhibitoren diese Art von Krebs verlangsamen, aber normalerweise nicht töten.
"Fast 65 Prozent der T-ALL-Patienten haben einen hyperaktiven PI3K, aber die meisten Patienten werden wahrscheinlich nicht durch Behandlungen mit nur einem Medikament geheilt. Wir wollten Medikamente finden, die T-ALL töten, wenn sie mit einem PI3K-Hemmer kombiniert werden, “, sagte Roose, ein Mitglied des UCSF Helen Diller Family Comprehensive Cancer Center. Um diese Medikamente zu finden, wandten sich die Forscher der RNA-Interferenz (RNAi) zu – einer Technik, mit der Wissenschaftler die Aktivität bestimmter Gene massiv reduzieren können. Die Entdeckung von RNAi, die natürlicherweise in allen Tieren und Pflanzen vorkommt und heute in der Forschung weit verbreitet ist, war ein großer Durchbruch, der 2006 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gewürdigt wurde.
"RNAi ist eine Art Wundermittel, um auf bestimmte Gene abzuzielen", sagte Michael T. McManus, PhD, Professor am UCSF Diabetes Center und Co-Autor der Studie, der den Bildschirm zusammen mit Roose entworfen hat. „Obwohl es eine Menge faszinierender zugrunde liegender Biologie gibt, die sich auf RNAi bezieht, verwenden die meisten Wissenschaftler sie als Werkzeug, um die Lautstärke eines bestimmten Gens in einer Zelle zu verringern.“
Das Gen-Editing-Tool CRISPR hat es ermöglicht, Gene vollständig zu entfernen. Aber laut McManus, während die Eliminierung eines bestimmten Gens der Goldstandard ist – ein wesentlicher erster Schritt bei der Bestimmung seiner Funktion in Zellen – kann es manchmal wünschenswerter sein, das Aktivitätsniveau eines Gens mithilfe von RNAi-Aktivität zu reduzieren. Dies gilt insbesondere, sagt er, wenn Forscher versuchen, die Wirkung von Medikamenten nachzuahmen, die oft die mit einem bestimmten Gen verbundene Aktivität reduzieren, ohne es vollständig zu eliminieren.
"Bei der Suche nach Krebsmedikamenten kann RNAi zum Beispiel bessere Arbeit bei der Annäherung an Präzisionstherapien leisten, die beide ihre biologischen Ziele nur teilweise hemmen", sagte McManus. Aus diesen Gründen haben die Forscher auch mit der Erforschung von CRISPRi und CRISPRa begonnen – modifizierte Formen von CRISPR, die die Aktivität von Zielgenen hemmen bzw. verstärken, ohne Schnitte an der DNA vorzunehmen.
Roose und McManus sind nicht die ersten Wissenschaftler, die RNAi verwenden, um nach dieser Art von kombinatorischen Therapien zu suchen. Aber frühere Bemühungen waren fehleranfällig, weil diese Screens zu kleine RNAi-Bibliotheken verwendeten, sagte Roose. Was die neue Studie auszeichnet, ist die ultrakomplexe Sammlung von Short-Hairpin-RNAs (shRNAs), die verwendet wurden. Diese RNA-Fragmente enth alten Sequenzen, die denen entsprechen, die in Boten-RNAs (mRNA) gefunden werden – den molekularen Schiedsrichtern der Genaktivität in der Zelle. Wenn eine shRNA eine mRNA findet, die eine passende Sequenz enthält, verbinden sich die beiden Moleküle, um einen Prozess einzuleiten, der die mRNA zerstört und die Aktivität dieses Gens hemmt. Insgesamt zielten die Forscher auf etwa 1.800 krebsassoziierte Gene mit etwa 55.000 shRNAs oder etwa 30 shRNAs pro Gen ab, „mehr als genug, um falsch positive und falsch negative Ergebnisse zu eliminieren“, sagte Roose.
Der Screen selbst umfasste die Züchtung zweier verschiedener menschlicher T-ALL-Zelllinien in Gegenwart von PI3K-Inhibitoren und die gleichzeitige Verabreichung von shRNAs, um herauszufinden, welche Gene, wenn sie in Gegenwart dieser Medikamente zum Schweigen gebracht wurden, den Krebs töteten. Ausgehend von diesem umfassenden Screen konzentrierten sich die Forscher dann auf 10 Gene, deren Aktivität, wenn sie mit Präzisionsmedikamenten eingedämmt wird, in Kombination mit PI3K-Medikamenten T-ALL-Krebszellen abtöten soll. Sie testeten diese Vorhersagen und fanden heraus, dass neun der kombinierten Therapien T-ALL abtöten konnten – eine Leistung, die keines der Medikamente alleine erreichen konnte. Die Forscher testeten dann die wirksamste dieser synergistischen Wirkstoffkombinationen an Mausmodellen von T-ALL und fanden heraus, dass sie das Überleben um 150 Prozent verlängern konnte.
Der Bildschirm brachte auch ein digitales Werkzeug hervor, von dem Roose sagt, dass es für andere Forscher nützlich sein wird: eine benutzerfreundliche, durchsuchbare Datenbank, die auf den Ergebnissen des Bildschirms basiert. Die Suchmaschine – entwickelt von Marsilius Mues, PhD, einem ehemaligen Postdoc im Roose-Labor und Hauptautor der neuen Studie – liefert Zahlen in Manuskriptqualität, die Forschern helfen, Gene zu identifizieren, die aus dem Screen als potenzielle Ziele für eine Kombinationstherapie mit PI3K-Inhibitoren hervorgegangen sind.
Angesichts der Erkenntnis, dass Entdeckungen bei Blutkrebs nicht immer zu soliden Tumoren führen, testeten die Forscher die vorhergesagten Arzneimittelkombinationen auch an 28 soliden Tumorzelllinien, die von menschlichen Brust-, Darm-, Bauchspeicheldrüsen- und Hirnkrebsarten stammen. Sie fanden heraus, dass selbst bei diesen soliden Tumorzellen die Kombinationstherapien synergetisch wirkten, um die Anzahl der Krebszellen im Verlauf des Experiments um bis zu 20 Prozent zu reduzieren.
"Eine wichtige Botschaft unserer Arbeit ist, dass Wissenschaftler Leukämiezellen als Plattform nutzen können, um Arzneimittelkombinationen zu finden, die auch bei soliden Tumoren wirken. Unsere Screening-Plattform ist sehr verallgemeinerbar", sagte Roose.
Zu den überraschendsten und vielversprechendsten Ergebnissen gehörte, dass die Forscher Wirkstoffpaare finden konnten, die das Krebswachstum hemmten, aber keine Wirkung auf normale Zellen hatten.
"Therapien zu finden, die spezifisch auf Krebs abzielen, ohne gesundes Gewebe zu schädigen, ist der heilige Gral der Krebsforschung", sagte Roose. "Dieses überraschende Ergebnis deutet darauf hin, dass unsere Methode bei der Entdeckung dieser Art von krebsspezifischer Präzisionsmedizin helfen könnte."
