07.07.2011 | In der Tumortherapie setzt man Ionenstrahlen dazu ein, Krebszellen punktgenau zu zerstören. Dabei entstehen als sekundärer Effekt auch langsame Elektronen im bestrahlten Gewebe. Sie zerstören die DNA der Krebszellen und sind dabei weitaus wirkungsvoller als bisher gedacht.
FRANKFURT. Strahlenschäden in Lebewesen entstehen oft erst nach der Bestrahlung, wenn durch komplexe physikalische Prozesse im Gewebe langsame Elektronen freigesetzt werden. Diese Elektronen können sich an DNA anlagern und sie aufbrechen. In der Tumortheraphie mit Ionenstrahlen, die gezielt zur Zerstörung von Krebszellen eingesetzt werden, ist dieser Mechanismus von Vorteil: Auch hier entstehen als sekundärer Effekt langsame Elektronen im Gewebe. Sie greifen die DNA der Tumorzelle an.

Entdeckt wurde der molekulare Mechanismus, als die Frankfurter Atomphysik-Gruppe um Prof. Reinhard Dörner im vergangenen Jahr kleine Wassertropfen bestrahlte.

»Beim Interatomic Coulombic Decay, kurz ICD, wird wird Strahlung fast beliebgier Art durch einen molekularen Energietranfer in ein freiwerdendes, langsames Elektron umgewandelt«, erklärt Dr. Till Jahnke aus der Arbeitsgruppe von Dörner. Mit seinen Kollegen zeigte er nicht nur, dass ICD ein typischer Mechnismus nach Bestrahlung ist, sondern insbesondere auch in Wasser stattfindet und somit für biologische Systeme relvant sein könnte. »Dieser Prozess schien höchst effektiv zu sein«, so Dörner, »weshalb wir vermuteten, er könne für das Verständnis von Strahlenschäden, aber auch bei der Tumortherapie eine größere Rolle spielen.«

Das noch fehlende Puzzlestück haben nun die beiden Doktoranden Hong-Keun Kim und Jasmin Titze in der aktuellen Ausgabe der interdisziplinären Fachzeitschrift »Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America« (PNAS) publiziert. Sie konnten die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von langsamen Elektronen durch ICD in einem Experiment quantitativ ermitteln. Hierzu bestrahlten sie ein System aus zwei schwach gebundenen Neon-Atomen, das schon länger als Modellsystem für ICD gilt, mit Alpha-Strahlen (Helium-Ionen). Dabei wurden die Bedingungen so eingestellt, dass ICD in einem Fall auftrat, im anderen jedoch nicht. Der Vergleich zeigte, dass durch ICD bis zu einhundert mal mehr niederenergetische und für die Strahlentherapie relevante Elektronen auftreten als ohne.

»Es war schon länger klar, daß durch ICD höchstwahrscheinlich sehr viele niederenergetische Elektronen erzeugt werden. Aber dies nun in einer eindeutigen Messung bestätigt zu sehen, ist ein großer Schritt, durch den wir endlich auf ein festes Fundament für weitere Untersuchungen betreten«, erklärt Jahnke.

Publikation:
Hong-Keun Kim et al: Enhanced production of low energy electrons by alpha particle impact, PNAS Early Edition, 4.7.11, doi: 10.1073/pnas.1104382108

Informationen:
Prof. Reinhard Dörner, Institut für Kernphysik, Campus Riedberg, Tel: (069)798-47003, doerner@atom.uni-frankfurt.de.
Dr. Till Jahnke, Institut für Kernphysik, Campus Riedberg, Tel: (069)798-47025, jahnke@atom.uni-frankfurt.de.

Wissenschaftler der Universität zu Köln / Uniklinik Köln haben im Rahmen einer internationalen Kooperation gemeinsam mit Forschern u. a. des Wellcome Trust Sanger Institute, der Schmerzklinik Kiel, der Ludwig-Maximilians-Universität München und des Leiden University Medical Center einen ersten genetischen Risikofaktor identifiziert, der mit der Migräne mit und ohne Aura in Zusammenhang steht. Sie ermöglichen damit neue Einblicke in die Ursachen dieser häufigen Formen der Migräne.
In der Studie wurde das Genmaterial von mehr als 50.000 Menschen untersucht. Die Wissenschaftler hoffen nun, dass das Forschungsergebnis den Weg für neue Therapien ebnet. Finanziell wurden die Kölner Wissenschaftler dabei im Rahmen des Nationalen Genomforschungsnetzes (NGFN-plus) und durch das Zentrum für Molekulare Medizin Köln unterstützt.

Patienten mit einer spezifischen DNA-Variante zwischen zwei Genen auf Chromosom 8, PGCP und MTDH/AEG-1, haben ein erhöhtes Risiko, an einer Migräne zu erkranken, so das Ergebnis der Studie. Eine mögliche Erklärung für diesen Zusammenhang sehen die Wissenschaftler darin, dass diese DNA-Variante u. U. den Glutamat-Haushalt reguliert. Glutamat ist als Neurotransmitter bekannt, der Informationen zwischen den Nervenzellen im Gehirn transportiert. Eine Anhäufung von Glutamat in den Nervenzellenverbindungen (Synapsen) könnte dabei eine wichtige Rolle beim Auslösen von Migräneanfällen spielen. Ziel neuer Therapieansätze wäre es dann, die Ansammlung von Glutamat an den Synapsen zu minimieren.

Etwa jede sechste Frau und jeder zwölfte Mann sind von Migräne betroffen. Neben dem persönlichen Leiden der Betroffenen hat die Krankheit auch immense wirtschaftliche Folgen: Einer US-amerikanischen Studie zufolge sind die durch Migräne verursachten Kosten den Kosten der Zuckerkrankheit vergleichbar. Damit gehört die Migräne zu den teuersten Erkrankungen der US-amerikanischen und europäischen Gesellschaft und die Weltgesundheitsorganisation (WHO) listet die Migräne unter die 20 Krankheiten, die Patienten am schwersten beeinträchtigen. In der Vergangenheit konnten lediglich genetische Mutationen als Ursache sehr seltener und extremer Formen von Migräne gefunden werden. Die Wissenschaftler sind nun erstmals einer genetischen Variante auf der Spur, die als mitauslösender Faktor der häufigen Migräneformen anzusehen ist.

»Wir können damit einen Blick in das Genom von tausenden von Menschen werfen und genetische Hinweise finden, die uns helfen, die einfache Migräne besser zu verstehen«, so Dr. Aarno Palotie, Leiter des International Headache Genetics Consortiums am Wellcome Trust Sanger Institute. »Studien dieser Art sind nur möglich durch eine großangelegte internationale Zusammenarbeit, bei der vielfältige Expertisen und enorme Ressourcen zusammengebracht werden.«

Die Wissenschaftler führten eine sogenannte genomweite Assoziationsstudie durch, um Varianten des Genoms, die die Anfälligkeit für Migräne erhöhen, zu identifizieren. Dazu verglichen sie primär genetische Daten von mehr als 3.000 Menschen aus Finnland, Deutschland und den Niederlanden, die unter Migräne leiden, mit dem Genom von über 10.000 diesbezüglich gesunden Menschen. Die Befunde wurden durch eine weitere Testgruppe mit 3.000 Migräne-Patienten und 40.000 gesunden Menschen bestätigt.

Die statistische Analyse zeigt, dass eine DNA-Variante, die zwischen dem PGCP- und dem MTDH/AEG-1-Gen auf Chromosom 8 liegt, mit einer erhöhten Anfälligkeit für die gewöhnliche Migräne korreliert. Die Abweichung könnte dabei die Aktivität des MTDH/AEG-1-Gens verändern, welches wiederum die Aktivität von EAAT2 steuert. Interessanterweise ist EAAT2 mitverantwortlich für das Entfernen von Glutamat aus den Synapsen des Gehirns. EAAT2 wurde bisher mit anderen neurologischen Erkrankungen, wie Epilepsie, Schizophrenie und verschiedenen Stimmungs- und Angsterkrankungen in Verbindung gebracht.

»Obwohl wir wussten, dass das EAAT2-Gen eine wichtige Rolle für verschiedene neurologische Prozesse beim Menschen spielt, konnte bisher keine genetische Verbindung identifiziert werden, die darauf hin deutete, dass eine Anhäufung von Glutamat im Gehirn eine ursächliche Rolle bei der gewöhnlichen Migräne spielt«, sagt Prof. Dr. Christian Kubisch vom Institut für Humangenetik der Universität zu Köln (seit 01.08.2010 an der Universität Ulm tätig). »Das Forschungsergebnis ebnet nun den Weg für neue Studien, die es hoffentlich erlauben, tiefere Einblicke in die biologischen Prozesse der Krankheit zu nehmen.«

Weitere Studien zur identifizierten DNA-Variante und ihre möglichen regulativen Auswirkungen auf benachbarte Gene sollen helfen, den Mechanismus für Migräne-Attacken besser zu verstehen. Außerdem soll nach zusätzlich beteiligten genetischen Faktoren geforscht werden. Dafür will man künftig noch größere Stichproben berücksichtigen: »Bei den Patienten, die an der Studie teilgenommen haben, wurde zwar eine gewöhnliche Migräne diagnostiziert, allerdings wurden sie aus Spezialkliniken akquiriert«, erklärt Dr. Gisela Terwindt vom Leiden University Medical Center. »Weil alle diese Patienten eine Spezialklinik aufgesucht hatten, müssen wir davon ausgehen, dass sie unter einer extremen Form der gewöhnlichen Migräne leiden. Künftig sollten auch weniger schwere Fälle in die Untersuchungen einbezogen werden.«

Weitere Informationen:
nature.com