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Strahlenbiologie
Die Strahlenbiologie beschäftigt sich als Teil der Klinik für Strahlentherapie – Radioonkologie mit den Grundlagen der Strahlenwirkung im menschlichen Gewebe. Im Zentrum der Arbeit stehen hierbei experimentelle Untersuchungen zum Verständnis der Strahlenresistenz in Tumorgeweben und der zugrunde liegenden Signalwege. So soll ein Beitrag zur besseren Eradikation von Tumorzellen mittels Bestrahlung geleistet werden. Leiter der Strahlenbiologie und Ansprechpartner für alle Fragen, auch für Interessent/innen für naturwissenschaftliche und medizinische Promotionen ist Prof. Dr. rer. nat. Burkhard Greve.
Prof. Dr. rer. nat. Burkhard Greve
Leiter Strahlenbiologie
Forschung
Die Behandlung des Mammakarzinoms erfolgt aktuell in der Regel multimodal, die Strahlentherapie spielt dabei eine zentrale Rolle. Trotz verbesserter Behandlungserfolge treten nicht selten Rezidive auf, die im Zusammenhang mit der Entwicklung von Resistenzen stehen. Die Mechanismen hierfür sind auf molekularer Ebene nur unzureichend verstanden, könnten aber die Basis für eine wirksamere Therapie sein. Das vorgeschlagene Projekt adressiert diese Problematik und basiert auf gemeinsam mit der Klinik für Frauenheilkunde (Prof. Dr. Martin Götte) generierten Daten, die einen Zusammenhang zwischen dem Zelloberflächen-Proteoglykan Syndecan-1 und einer erhöhten Resistenz von Mammakarzinomzellen gegenüber einer Strahlentherapie herstellen. Hierbei ist eine erhöhte Aktivierung von Integrinen und der focal adhesion kinase (FAK) ein möglicher mechanistischer Grund, da Publikationen anderer Arbeitsgruppen kürzlich eine Rolle dieser Moleküle bei der Vermittlung von Strahlenresistenz belegen. Unsere Arbeitshypothese lautet, dass eine Herabregulation von Syndecan-1 beim Mammakarzinom über eine verstärkte Aktivierung von beta-Integrinen und FAK eine erhöhte Strahlenresistenz und eine erhöhte Zellmotilität vermittelt. Zusammenfassend sollen die Daten des Projekts molekulare Strukturen, die für den Syndecan-1-vermittelten Strahlenresistenzphänotyp von Mammakarzinomzellen verantwortlich sind, identifizieren und deren mechanistischen Zusammenhang mit Syndecan-1 aufklären. Der hierbei zu erwartende Erkenntnisgewinn soll die Grundlage für spätere pharmakologische Ansätze zur Modulation der Strahlenresistenz von Mammakarzinomen bilden, welche gleichzeitig unerwünschte Nebeneffekte wie die strahlungsinduzierte Metastasierung ausschließen.
Gefördert für drei Jahre (2020-2023) durch die DFG (GR 4743/5-1)
Die Musashi-Proteine MSI-1 und MSI-2 gehören als RNA-bindende Proteine zum posttranskriptionellen Genregulationsnetzwerk. Beide Proteine sind in neuronalen Progenitorzellen des Zentralnervensystems von Vertebraten hoch exprimiert und gelten als Marker für neuronale Stammzellen. MSI-1 und MSI-2 weisen eine hohe Homologie, insbesondere in ihren RNA-bindenden Domänen, und folglich einen signifikanten funktionalen Overlap auf.
Neuere Studien unserer und anderer Arbeitsgruppen legen nahe, dass dysregulierte Expression der Musashi-Proteine auch in der Tumorgenese, Tumorprogression und insbesondere in der Tumorstammzellnische eine wichtige Rolle spielt. In Arbeiten im Endometriumkarzinom konnten wir die Überexpression von MSI-1 nachweisen und auch erstmals antiproliferatives und pro-apoptotisches Signaling nach MSI-1-Knockdown zeigen.
In neueren Arbeiten gehen wir vor allem der Frage nach, inwiefern ein MSI-Knockdown die Therapieresistenz senologischer und gynäkologischer Tumoren verändert. In einer intramural geförderten Publikation konnten wir zeigen, dass die Herunterregulation der MSI-Proteine tripelnegative Mammakarzinomzellen sensibler für Bestrahlung macht. In einer Folgearbeit wiesen wir nach, dass MSI-1 im Mammakarzinom ein negativer prognostischer Marker ist. Unsere These einer Therapiesensitivierung durch MSI-Knockdown validierten wir in Folgestudien im Ovar - und Endometriumkarzinom.
Aktuell gehen wir in einem durch die Else Kröner-Fresenius-Stiftung drittmittelfinanzierten Projekt der Frage nach, welche Signalwege für die beschriebenen funktionellen Veränderungen verantwortlich sind. Außerdem wollen wir unsere Ergebnisse im Rahmen einer IZKF-SEED-Juniorarbeitsgruppe unter Einsatz von Inhibitoren weiterentwickeln.
Brustkrebs ist die häufigste Krebsart bei Frauen und stellt ein ernstes Problem für das Gesundheitswesen dar. Eine Vielzahl von Forschungsdaten zum Invasions- und Metastasierungsprozess weist darauf hin, dass für diese Prozesse nicht nur zellautonome Eigenschaften der neoplastischen Zelle, sondern auch die Mikroumgebung des Tumors eine wichtige Rolle spielt. So ist diese aktiv an den Prozessen der Intravasation, Angiogenese und Regulation der Zellmotilität beteiligt. Neuere Forschungen zeigen einen wichtigen Beitrag der von der Matrix und der Zelloberfläche abgeleiteten Proteoglykane wie Syndecan-1 (Sdc-1) und der Heparansulfat abbauenden Endoglykosidase Heparanase zu praktisch allen Schritten der Tumorprogression. Trotz ihrer funktionellen Bedeutung sind Glykoproteine aufgrund ihrer Komplexität derzeit ein nur wenig erforschtes Gebiet der Wissenschaft. Sie können jedoch aufgrund ihrer Wirkungen auf die für Tumorprogression relevanten Prozesse wie Adhäsion, Signalübertragung, Motilität (EMT), Krebsstammzellen (CSCs) und Metastasierung von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Tumor und Mikroumgebung sein. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine Wissenslücke zu schließen, indem eine gründliche Analyse des Beitrags von Sdc-1 zur Tumorprogression erfolgt, die auf dem neuartigen Konzept der lateralen Übertragung der Tumoraggressivität basiert. Dieses Konzept liefert einen Erklärungsansatz für die Verstärkung des malignen Potentials von Zellen der Tumormikroumgebung. Darüber hinaus ist der Einfluss von Sdc-1 auf die Induktion von antitumorigenen zu protumorigenen Eigenschaften von Immunzellen Gegenstand der Untersuchungen. Da gemäß früheren Arbeiten unserer und weiterer Arbeitsgruppen das Targeting von Sdc-1 / Heparanase alle Schritte der Tumorprogression beeinflusst, erwarten wir, dass unsere Forschung eine wichtige Grundlage für die Entwicklung effizienterer Therapeutika bilden wird. Wichtige innovative Aspekte des Projekts sind: (a) die Verwendung von 3D-Kulturen, die es ermöglichen, die Wechselwirkungen von Tumorzellen mit ihrer Mikroumgebung zu stimulieren, und die Rolle von Sdc-1 und Heparanase bei der Plastizität der Krebsinvasion zu untersuchen, (b) 3D-Co-Kulturen, bei denen die Zellen durch Kontakt von Zelle zu Zelle (direkt) oder durch lösliche Faktoren und Exosomen (indirekt) miteinander kommunizieren könnten, um die Plastizität von Leukozyten und die Auswirkungen molekular zielgerichteter Strategien zu untersuchen, (c) die Verwendung von 3D-Bioprinting-Tumorigenitätstests zur Überprüfung des aggressiven Potenzials induziert aggressiver Zellen, zur Validierung der Rolle von Sdc-1 und Heparanase in diesem Prozess, und deren Einfluss auf verschiedene ECM-Komponenten sowie (d) die Funktionsanalysen von Zytokinen, Chemokinen und Proteasen als Regulatoren der Tumorprogression durch PGs sowie ein Beitrag der Exosomen zu diesem Prozess.
Gefördert für drei Jahre (2024-2026) durch die Deutsche Krebshilfe.
Die Strahlentherapie ist in den Leitlinien zur Behandlung des Mammakarzinoms verankert, sie ist eine wichtige Säule in der multimodalen Therapie des Triple Negativen Brustkrebses (TNBC). Allerdings ist gerade dieser markerarme Subtyp für seine Anpassungsfähigkeit und Resistenzentwicklung bekannt, sodass er trotz Bestrahlung häufig Rezidive bildet und metastasiert. Diese Problematik stand im Fokus eines DFG-Projektes, bei dem Syndecan-1 (Sdc-1) als mögliches Bindeglied einiger resistenzassoziierter Signalwege stand. Die Daten lassen auf eine Sdc-1-vermittelte verstärkte Aktivierung- und Recycling von Integrin, verstärkte FAK-Aktivierung und verminderte CDK6-Expression schließen, was in der Summe unter Beteiligung der Heparansulfatketten zu einer erhöhten Strahlenresistenz führte. Wir konnten damit einige Sdc-1-vermittelte Modulierungen der Strahlenantwort molekular- und auf Ebene von Signalwegen mechanistisch beschreiben. Allerdings ergaben sich aus den Daten auch neue Fragen zum Einfluss von Sdc-1 auf die Dynamik der Fokalen Adhäsionen, zum Mechanosignaling und zum Matrixremodeling. Unsere ursprüngliche Arbeitshypothese haben wir daher erweitert um die durch Sdc-1 koordinierte und durch Stress induzierte Umstrukturierung der extrazellulären Matrix (ECM). Zur Prüfung dieser Hypothese untersuchen wir (i) Kulturmodelle mit definierter Tumormatrix und Stiffness, um strahlenrelevante und Sdc-1 abhängige Moleküle und Signalwege mit Bezug zur Matrix und zur Invasivität zu identifizieren, (ii) den Einfluss der Steifheit der Tumormatrix auf den Sdc-1-vermittelten Strahlenphänotyp untersuchen, sowie auf die strahleninduzierte Dynamik von fokalen Adhäsionen, auf das Mechanosignaling und auf Zell-Matrixkontakte, (iii) den Einfluss eines enzymatischen Umbaus der ECM auf die Steifheit der ECM und auf die Strahlenresistenz bestimmen, und (iv) das molekulare Zusammenspiel von Sdc-1, YAP und CDK6 bei der Modulation der ECM und der Strahlenantwort testen. Diese Untersuchungen sollen Mechanismen aufdecken, wie durch die Wechselwirkung von Sdc-1 mit der extrazellulären Matrix der Strahlenresistenzphänotyp moduliert wird. Dies bietet die Möglichkeit Angriffspunkte zu identifizieren, die einzeln oder in Kombination gezielt pharmakologisch beeinflusst werden können, um die Strahlenwirkung signifikant zu verbessern und eine therapiebedingte Metastasierung zu unterbinden.
Therapien mit ionisierender Strahlung wie Röntgen- oder Protonenstrahlung zielen auf die Zerstörung des Tumorgewebes ab, die gleiche Strahlung schädigt aber auch immer gesundes Gewebe. Das sensible Verhältnis zwischen Normalgewebsreaktion und Tumorkontrolle definiert die therapeutische Breite. Je weniger Normalgewebsreaktion erwartet werden kann, desto höher kann die Dosis zur Behandlung des Tumors gewählt werden, damit steigt die Wahrscheinlichkeit der Tumorkontrolle. Durch die Radiolyse z.B. von Wasser werden sekundär generierte radikalische Spezies erzeugt, insbesondere zelltoxische reaktive Sauerstoff- (ROS) sowie Stickstoffspezies (RNS), diese können indirekt die DNA schädigen. Außerdem beeinflussen sie den zellulären Stoffwechsel, indem sie u.a. den NF-κB Signalweg mit Auswirkung auf das Immunsystem, Mitosefähigkeit und Apoptose modulieren. Im Gegensatz zur systemischen Prophylaxe gegen strahleninduzierten oxidativen Stress, die immer auch den Tumor schützt, lässt die lokale Anwendung von Antioxidantien einen für gesunde Zellen effizienteren Schutz erwarten. Dies konnte unter 2D-Kulturbedingungen für die Antioxidantien Hydroxytyrosol und Thioredoxin-Mimetic Peptide CB3 bereits eindrucksvoll gezeigt werden. Im Rahmen dieser Studie soll an 3D-gedruckten Hautmodellen mit in vivo-ähnlicher Topologie und Mikroumgebung die strahlenprotektive Wirksamkeit von Magnesium untersucht werden.
Ausstattung und Techniken
Konfokales Laserscanmikroskop (LSM800, Zeiss, gefördert durch die DFG in 2014)
Das Lasermikroskop wird eingesetzt zur Darstellung von Protein/Protein Interaktionen (z.B. Phosphorylierung von Argonaut durch EGFR haltige Endosomen nach Bestrahlung), zur intrazellulären lokalisation spezifischer strahlenrelevanter Proteine (Protein trafficking), zur Untersuchung der Genexpression in lebenden Zellen mit Hilfe von Molecular Beacon.3D-Bioprinter
Mit Hilfe des 3D-Bioprinters lassen sich die unterschiedlichsten extrazellulären Matrices herstellen und kombinieren, sogar Gefäßstrukturen lassen sich einarbeiten. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit in diese synthetischen Gewebsstrukturen verschiedene Zellen einzubetten und zu kultivieren. Diese in vivo-ähnlichen, synthetischen 3D-Organstrukturen lassen sich vielfältig für die strahlenbiologische und strahlenphysikalische Forschung nutzen und stellen die nächste Stufe von der 2D-Kultur über die 3D-Kulturmodelle hin zu in vivo-nahen komplexen Gewebestrukturen dar.
Über den S1-Status unseres Zellkulturlabors sind wir in der Lage, mit gentechnisch veränderte Zellen zu arbeiten. Dies ermöglicht es uns, stabile Knockdown-Konstrukte zu generieren an denen die Funktionen bestimmter Gene untersucht werden können.
Die Untersuchung der Genexpression erfordert immer auch eine proteinchemische Bestätigung der Daten. Dies wird in der Regel über immunologische Verfahren wie dem Westernblot oder ELISA gemacht.
In diesem Labor werden alle molekularbiologischen Experimente durchgeführt. Hier erfolgt die Entwicklung, Testung und Anwendung von Primersystemen für die PCR. Darüber hinaus werden hier Molekular Beacon-Sonden entwickelt, die sich für eine automatisierte Analyse des Expressionsniveaus bestimmter Gene eignen.
Publikationen
Brücksken KA, Sicking M, Korsching E, Suárez-Arriaga MC, Espinoza-Sánchez NA, Marzi A, Fuentes-Pananá EM, Kemper B, Götte M, Eich HT, Greve B, Troschel FM. Musashi inhibitor Ro 08-2750 attenuates triple-negative breast cancer cell proliferation and migration and acts as a novel chemo-and radiosensitizer. Biomed Pharmacother. doi: 10.1016/j.biopha.2025.118002.
Elsayad K, Correia D, Theiß U, Baehr A, Besserer A, Micke O, Greve B, Waldstein C, Corradini S, Habermehl D, König L, Hering K, Adeberg S, Eich HT. Modern approaches to radiotherapy in primary cutaneous lymphomas: insights and recommendations from the DEGRO dermato-oncology working group. Strahlenther Onkol. doi: 10.1007/s00066-025-02453-5.
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Lehre
Neben der curricularen Lehre im Fach Strahlenbiologie werden folgende Kurse angeboten:
- Der Mensch im Strahlenfeld
- Automatisierte Methoden zur Charakterisierung der Zelldifferenzierung in der medizinischen Diagnostik und Forschung
- Hallmarks of cancer (Vierwöchiges Laborpraktikum für Biologen und Mediziner)
- Molekulare Zellbiologie der Krebsentstehung (Zweimonatiges Forschungsmodul für Biologen)
- Experimentelle Medizin „Proliferation und Zelltod“ (Einwöchiges Praktikum für Mediziner)
Ansprechpartner für die Veranstaltungen ist:
Prof. Dr. Burkhard Greve
+49 251 83-52537
+49 251 83-43852
greveb(at)uni-muenster.de
