TAM Eisenmetabolismus in der Progression von Brustkrebs

Eisen ist ein Schlüsselmikroelement für jede metabolisch aktive und sich teilende Zelle. Dessen zusätzliche Bedeutung für eindringende Pathogene sowie dessen mutagene Eigenschaften erklären aber auch die Notwendigkeit einer strikten Regulation der Eisenhomeostase. Physiologisch, spielen Makrophagen eine besonders wichtige Rolle in Eisenaufnahme, -wiederverwertung, -speicherung und -export in systemischem und lokalem Umfang. Tumorzellen zeichnen sich durch einen regen Metabolismus und schnelle Zellteilung aus, was einen erhöhten Eisenbedarf bedingt. Eisen stimuliert die Zellproliferation und aktiviert eine Reihe von Signalübertragungswegen, die Tumorzellüberleben, Tumorentzündung und metastatische Streuung fördern. In Übereinstimmung damit, konnte eine Korrelation zwischen der Expression bestimmter Eisenmetabolismusgene und dem Risiko einer Tumorprogression bzw. Rezidiv dargestellt werden. Trotz dieser interessanten Daten, ist die Erforschung zellulärer und molekularer Regelkreisläufe des Eisenstoffwechsels im Brustkrebs erst am Anfang. Brustkarzinome werden massiv infiltriert durch eine angiogenesefördernde und immunsuppressive Leukozytenpopulation, die sogenannten Tumor-Assozierten Makrophagen (TAMs). Deren Anwesenheit und Ausprägung korreliert sehr stark mit der Prognose dieser Patientinnen. Wir vermuten, dass TAMs, analog zu den im normalen Geweben ansässigen Makrophagen, eine wichtige Rolle im lokalen Eisenstoffwechsel spielen, indem sie Eisen, vor allem aus Erythrozyten, aufnehmen und dem schnell proliferierenden Tumorepithel anbieten. Diese Hypothese wurde jedoch nie detailliert experimentell verfolgt. Im Rahmen des eingereichten Projekts werden Eisenaufnahme- und Eisenspeicherungskapazitäten der TAMs erforscht. Des weiteren werden die Effekte einer genetischen, auf Makrophagen begrenzten Beeinträchtigung des Eisenmetabolismus auf das Tumorwachstum und die Metastasenbildung sowie auf den tumorfördernden Phänotyp der TAMs untersucht. Hierzu bedienen wir uns klinisch relevanter und spontaner Mausmodelle und makrophagenspezifischer Knockouts des einzigen bekannten Eisenexporters Ferroportin und des wichtigen Eisenspeichermoleküls Ferritin. Zusätzlich planen wir alle tumortragende Tiere mit unterschiedlichen Eisenquellen zu behandeln. Letztlich sollen die anhand von Tierversuchen gewonnenen Resultate in einer Brustkrebspatientinnenkohorte überprüft werden. Für diesen Zweck wird die Expression von Eisenstoffwechselgenen in humanen TAMs bestimmt und mit klinischen Parametern und der Wahrscheinlichkeit einer Rezidiv und des Überlebens korreliert. Die Ergebnisse des vorgelegten Projekts sollen den aktuellen Stand der Makrophagen- und Tumorbiologie erweitern, indem neue Mechanismen entschlüsselt werden, die pro-kanzerogenen Eigenschaften von Eisen erklären können. Parallel sollen Sicherheit, in Bezug auf Tumorwachstum, und Wirksamkeit von intravenöser Eisenpräparate und Antihepcidintherapien in diesem Model getestet werden, da ihr Einsatz in der Behandlung der krebs- und chemotherapiebegleitenden Anämie des Menschen geplant ist. Zuletzt sollen die gewonnen Erkenntnisse an einer Patientinnenkohorte auf ihre prognostische Bedeutung im Menschen getestet werden.

Eisen ist ein Schlüsselelement für jede lebende Zelle als wichtiger Ko-faktor zahlreicher metabolischer Enzyme und Sauerstofftransporter. Nichtsdestotrotz, ein Übermaß an Eisen kann, aufgrund des Generierens von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS, Reactive Oxygen Species) die Teile der Zelle und das Gewebe beschädigen und Toxizität hervorrufen. Daher ist eine präzise Kontrolle der Einseflusses im Gewebe und im Körper besonders wichtig. Diese Kontrollfunktion übernimmt eine Population ansässiger Leukozyten, Makrophagen, die sowohl mit einem Eisenspeicherprotein, Ferritin, als auch mit einem Eisenexporter, Ferroportin, ausgestattet sind. In unserem gerade beendeten Projekt schlagen wir vor, dass ein spezieller Subtyp von Makrophagen, der im Krebsgewebe vorkommt, die Tumorassoziierte Makrophagen (Tumor-Associated Macrophages, TAMs), den Eisenfluss in der Tumorumgebung steuert und dadurch die sich schnell teilende und metabolisierende Krebszellen mit dem lebenswichtigen Element beliefert. Um diese Hypothese zu verifizieren, haben wir Mausstämme mit der makrophagenspezifischen Deletionen (Knockouts) von den Ferritin- und/oder Ferroportingenen verwendet, bei denen Brusttumorzellen eingepflanzt wurden. Die Mäuse wurden zusätzlich mit einem Eisenmedikament behandelt, das in der Therapie von Anämie einen breiten Einsatz findet. Unsere Resultate zeigen, dass die Eisenbehandlung das Tumorwachstum fördert, insbesondere in der Tieren mit dem Ferritin-Knockout. Eine detaillierte Analyse der TAMs von diesen Tieren deutet drauf hin, dass das fehlende Ferritin die Menge von intrazellulären Eisen dramatisch erhöht, was zu einem Anstieg von Ferroportin und schnellerem Eisenexport führt. Auf diese Art und Weise könnten die Ferritin-Knockoutmakrophagen die Krebszellen besser mit Eisen versorgen und dadurch die Tumorprogression unterstützen. Allerdings haben wir herausgefunden, dass ein erhöhtes Eisen weder die Zellteilung noch den Zelltod der Krebszellen beeinflussen kann. Stattdessen beobachteten wir, dass sich hohe Eisenkonzentrationen besonders toxisch auf die aktivierten anti-Tumor T Zellen auswirken und dessen Vermehrung und Funktion dramatisch beeinträchtigen. Aufgrund dessen schmälerte die Eisensupplementierung signifikant die Effekte einer T-Zellaktivierenden Therapie in unserem Tumormodell. Eisenpräparate werden breit in der Behandlung krebsassozierter Anämie eingesetzt und als sicher betrachtet. Unsere Resultate zeigen jedoch, dass Eisen die Wirkung der T-Zellaktivierenden Medikamente verringern kann. Daher muss die Frage, ob und wie viel Eisen für die Korrektur der Blutarmut notwendig ist, einer genauen Nutzen-Risikoanalyse unterzogen werden.