Einzelzell-RNA-Sequenzierung pädiatrischer Ependymome

Das Ependymom ist ein seltener Tumortyp, welcher im Gehirn und Rückenmark von Kindern sowie Erwachsenen auftritt. Bei Kindern ist diese Krebsart jedoch oft aggressiver und schwer durch chirurgische Entfernung, Strahlen- und Chemotherapie besiegbar. Aus diesem Grund widmen sich umfangreiche Forschungsarbeiten der Entwicklung von Strategien, um Ependymome effektiver zu therapieren. Der vorliegende Antrag zielt darauf ab, die zelluläre Architektur kindlicher Ependymome in einer noch nie dagewesenen Auflösung zu charakterisieren. Dadurch sollen neue Einblicke über Schlüsselmechanismen, welche diese Krebsart auslösen und zu deren Aggressivität beitragen, gewonnen werden. Letztendlich verfolgt dieses Projekt das Ziel, neue Schwachstellen des Ependymoms zu identifizieren, um diese in weiterer Folge durch gezielte Behandlung angreifen zu können. Die Basis dafür wird die Anwendung einer hochmodernen biomedizinischen Technologie, der Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq), darstellen. Diese Methode ermöglicht die Bestimmung von Änderungen der Erbsubstanz sowie des Verhaltens tausender Einzelzellen, welche dazu direkt aus Patiententumoren isoliert werden. Vor der Einführung dieser Technik wurde die Charakterisierung von Tumoren anhand ganzer Gewebestücke vorgenommen. Dies birgt jedoch das Risiko, bestimmte entartete Vorgänge, welche nur in kleinen Arealen oder in besonders bösartigen Krebszellen innerhalb eines Tumors vorherrschen, aber hinsichtlich einer medikamentösen Behandlung hochrelevant sind, zu übersehen. Dieses Projekt wird von Bernhard Englinger, PhD unter der Leitung von Dr. Mariella Filbin am Dana-Farber Cancer Insitute der Harvard Medical School in Boston durchgeführt. Dr. Filbins Labor verfügt über weltweit führende Expertise im Feld der scRNA-seq, was bereits signifikant zur molekularen Charakterisierung diverser Hirntumortypen beigetragen hat. Nun wollen sich Bernhard Englinger und Mariella Filbin der Analyse von Ependymomen auf Einzelzell-Niveau widmen. Dieses Projekt wird im Rahmen eines nationalen und internationalen Forschungsnetzwerks durchgeführt. Einerseits wird dies in Zusammenarbeit mit der Abteilung für Kinder- und Jugendheilkunde der Medizinischen Universität Wien und dem Kinderspital Boston den Zugang zu wertvollem Patientenmaterial ermöglichen. Andererseits wird das Projekt durch weltweit-führende Datenanalyse-Technologien am Broad Institute des MIT unterstützt. Die sich aus der scRNA-seq ableitenden Ergebnisse hinsichtlich neuer Therapieansätze werden in weiterer Folge in Zellmodellen getestet, welche direkt von Patiententumoren im Labor angezüchtet werden. Zusammenfassend wird die noch nie dagewesene scRNA-seq Untersuchung von Ependymomen dabei helfen, exakte Veränderungen der Erbsubstanz sowie entartetes Zellverhalten zu definieren, welche diese Erkrankung definieren. Dies wird das Fundament für verbesserte Therapieansätze dieser Krebsart bilden.

Ependymome sind seltene Hirntumoren, die bei Kindern und Erwachsenen auftreten können. Zudem handelt es sich um eine heterogene Tumorgruppe und es war lange nicht bekannt, warum manche dieser Tumoren eine gute Prognose und manche einen sehr aggressiven Verlauf aufweisen. Insbesondere Ependymome im Kindesalter zeigen besonders häufig einen aggressiven Verlauf. Molekularbiologische Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass innerhalb dieser Tumorgruppe sehr unterschiedliche molekulare Subgruppen existieren, wobei insbesondere die häufigsten molekularen Gruppen im Kindesalter, supratentorielle Ependymome mit RELA-Fusion (ST-RELA) sowie Posterior fossa Ependymome der Gruppe A (PF-A) einen aggressiven Verlauf zeigen. Die Studie von Gojo et al. nutzte modernste Methoden wie das Einzelzell-RNA Sequenzierung, um die Genexpressionsprofile einzelner Tumorzellen zu analysieren und ihre molekularbiologischen Eigenschaften zu beschreiben. Dabei zeigte sich, dass Ependymome ein hohes Maß an intratumoraler Heterogenität aufweisen, also aus vielen Zellen mit unterschiedlichen molekularen Eigenschaften innerhalb eines Tumors bestehen, was die Behandlung erschwert. Insgesamt wurden 28 Tumore aller molekularen Subgruppen untersucht. Durch Korrelation zu Genexpressionsdaten des sich entwickelnden Gehirns konnte gezeigt werden, dass Ependymome aus bestimmten Vorläuferzellen des Gehirns zu entstehen scheinen. Damit weisen sie auch oft Eigenschaften von Stammzellen auf. Interessanterweise konnte auch innerhalb der Ependymomzellen ein zellulärer Stammbaum identifiziert werden, wobei sich Ependymomzellen entsprechend der physiologischen Entwicklung von stammzell-artigen Zellen zu mehr ausdifferenzierten Zellarten wie neuronen-artigen, astrozyten-artigen, oder ependym-artigen Zellen entwickeln. Ependymomtypen mit aggressivem Verlauf wiesen viele unreife Zellen auf. Eine hohe Genexpression von "Stammzellmarkern" war auch mit einer schlechteren Prognose vergesellschaftet. Tumoren, bei denen sich ein Großteil der Zellen in einem ausgereifteren Zustand befand, zeigten eine günstigere Prognose. Dies erklärt außerdem, warum sich Ependymome bei Kindern häufig aggressiver verhalten als bei Erwachsenen: Bei ihnen ist der Anteil an undifferenzierten, stammzellartigen Ependymomzellen höher als bei Ependymomtypen die vermehrt bei Erwachsenen auftreten. Diese Erkenntnisse decken sich mit Vorarbeiten aus unserer Arbeitsgruppe welche zeigten, dass das stammzelltypische Enzym Telomerase in aggressiven Ependymomtypen reaktiviert wird (Gojo et al., Neuro-Oncology 2017). Basierend auf dieser Erkenntnis würde es aus therapeutischer Sicht Sinn machen, diese stammzell-artigen Tumorpopulationen gezielt anzugreifen. Im Rahmen der Studie konnten bereits erste mögliche spezifische Angriffspunkte identifiziert und untersucht werden. So zeigte sich in ersten Versuchen die Blockade der FGFR-, IGF2/IGF1R-, CDK4/6- oder HDAC2 Signalwege als mögliche Angriffspunkte für derartige Therapieansätze. Zusammenfassend gelang durch die Studie erstmalig Einblick in den zellulären Aufbau von Ependymomen wobei wichtige Erkenntnisse zu einem intratumoralen Differenzierungsprozess gewonnen werden konnten, von dem sich neue prognostische und therapeutische Signaturen für diese ansonsten häufig therapierefraktäre Tumorart ableiten lassen. Die Studie ist ein Kooperationsprojekt des Dana-Farber Cancer Institute und der Harvard Medical School Boston, dem Broad Institute of MIT in Boston (Mariella Filbin), der Medizinischen Universität Wien und dem Deutschen Krebsforschungszentrum bzw. dem Hopp Kindertumorzentrum in Heidelberg (Marcel Kool).