Credit: Daria Kirpach
Im Jahr 2016 verkündete die Weltgesundheitsorganisation (WHO) einen neuen Ansatz zur Klassifizierung von Gliomen, der häufigsten Form von Hirnkrebs bei Erwachsenen. Anstatt die Diagnose hauptsächlich auf der Grundlage des Erscheinungsbildes der Zellen in einem Tumor zu stellen, wie es die vorherigen WHO-Richtlinien getan hatten, stützt sich die aktualisierte Rubrik auf die Analyse des Tumor-Genoms.
Das WHO-Schema sortiert Menschen mit Gliom in diagnostische Gruppen nach dem Vorhandensein von zwei genetischen Veränderungen. Die eine ist eine Mutation in Genen, die zu einer Familie gehören, die das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase (IDH) kodiert, das Zellen bei der Energiegewinnung hilft. Die andere ist der Verlust von zwei spezifischen Abschnitten des Genoms, ein Phänomen, das als Co-Deletion bekannt ist. Zusammen liefern diese Veränderungen aussagekräftige Informationen über die Prognose eines Patienten (Menschen, die sowohl eine IDH-Mutation als auch eine Co-Deletion aufweisen, haben die besten Aussichten, während diejenigen, die keine der beiden Mutationen aufweisen, am schlechtesten dastehen) sowie Hinweise darauf, welche Behandlungen geeignet sein könnten.
„Gliome sind ein großartiges Beispiel dafür, dass die molekulare, genetische Diagnose wirklich einen Unterschied in der Patientenversorgung gemacht hat“, sagt Robert Jenkins, ein Krebsgenetiker an der Mayo Clinic in Rochester, Minnesota. „Das Wissen über die verschiedenen Subtypen ist bei Hirntumoren im Vergleich zu anderen Krebsarten weit voraus.“
Dank zahlreicher groß angelegter Genom-Sequenzierungsstudien geht das Wissen über die Genetik von Hirntumoren tatsächlich weit über die beiden diagnostischen Veränderungen hinaus. Mutationen in Hunderten von Genen sind in Gliomen identifiziert worden. Die Herausforderungen bestehen nun darin, die biologischen Mechanismen zu entschlüsseln, die diese Veränderungen verursachen, zu verstehen, welche der Veränderungen die Prognose und das Ansprechen auf eine Therapie beeinflussen und wie, und herauszufinden, warum die Veränderungen in bestimmten Mustern auftreten. „Es reicht nicht aus, nur Mutationen zu katalogisieren“, sagt Benjamin Deneen, ein Krebsbiologe am Baylor College of Medicine in Houston, Texas. „Es ist wichtig zu entschlüsseln, was das alles bedeutet. Und wir sind jetzt in der Ära der Entschlüsselung.“
Schuldige identifiziert
Neuroonkologen wussten schon vor der molekularen Analyse von Tumor-Subtypen, dass Menschen mit einer Art von Gliom, dem Oligodendrogliom, tendenziell besser auf eine Chemotherapie ansprechen und insgesamt eine bessere Prognose haben als solche mit einer anderen Art von Gliom, dem Astrozytom. Ursprünglich wurden diese beiden Gliome anhand ihres Aussehens und anderer klinischer Merkmale unterschieden: Oligodendrogliome bestehen zum Beispiel aus Zellen mit einer charakteristischen Form, die an ein Spiegelei erinnert, und Astrozytome treten eher bei jüngeren Patienten auf.
Aber diese Unterscheidung ist mehr eine Kunst als eine Wissenschaft. Gliome können Zellen enthalten, die einige Merkmale von beiden teilen. Sie können auch eine Mischung aus Oligodendrozytom- und Astrozytom-ähnlichen Zellen enthalten. Verschiedene Neuropathologen hatten unterschiedliche Gewohnheiten bei der Diagnose: Einige ordneten Tumore nur selten der Kategorie Oligodendrozytom zu, während andere dies bereitwillig taten.
Dann, in den späten 2000er Jahren, entdeckten Forscher unter der Leitung von Bert Vogelstein an der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, Mutationen im Gen IDH1 bei etwa 12 % der Menschen mit einer Art von Gliom, die als Glioblastoma multiforme (GBM)1 bekannt ist – in der Regel eine der aggressivsten Formen von Hirnkrebs. Diejenigen, die solche Mutationen aufwiesen, hatten eine höhere Wahrscheinlichkeit, dem düsteren Trend der Krankheit in Bezug auf das Langzeitüberleben zu trotzen. Angetrieben von dieser Erkenntnis untersuchte das Team auch andere Arten von Gliomen und konnte bei einem Teil der Getesteten IDH1-Mutationen nachweisen.
„Wir fanden heraus, dass die Patienten, die ein besseres Überleben haben, alle IDH1-Mutationen aufweisen“, sagt Hai Yan, Neuroonkologe an der Duke University School of Medicine in Durham, North Carolina. Bald stellte sich heraus, dass auch Mutationen in einem eng verwandten Gen, IDH2, eine längere Überlebenszeit erwarten lassen.
In der Zwischenzeit wurde ein weiterer prädiktiver Marker für Gliome durch Studien von Anomalien entdeckt, die große Teile des Genoms betreffen. In den frühen 1990er Jahren entdeckten Forscher unter der Leitung von Jenkins, dass einigen Gliomen ein Teil des Chromosoms 192 fehlte. Etwa zur gleichen Zeit identifizierte eine internationale Forschergruppe einen Teil des Chromosoms 1, der manchmal in solchen Tumoren fehlte3. Beide Veränderungen waren mit einer besseren Prognose verbunden.
Ein paar Jahre später stellten Forscher fest, dass beide fast immer zusammen auftraten4 – ein Muster, das als 1p und 19q Co-Deletion bekannt wurde. Jenkins arbeitete auch mit einem Team von Forschern aus den USA und Kanada zusammen, um zu zeigen, dass Menschen mit Gliomen, die auf eine Procarbazin-Lomustin-Vincristin-Chemotherapie ansprachen, dazu neigten, Tumore zu haben, die die 1p- und 19q-Kodeletion trugen. Dies war einer der ersten Beweise dafür, dass molekulare Marker bei Hirntumoren verwendet werden können, um Entscheidungen über die Behandlung zu treffen.
Klassifizierungsrätsel
Die Entdeckung dieser molekularen Marker revolutionierte die Gliomdiagnose und schärfte die einst unscharfen Kategorien, die zur Bestimmung der Prognose verwendet werden. „Anstatt die Patienten anhand des Aussehens ihrer Objektträger zu klassifizieren, können wir sie mit viel größerer Sicherheit anhand der molekularen Veränderungen einordnen“, sagt Cameron Brennan, Neurochirurg am Memorial Sloan Kettering Cancer Center in New York City.
Das aktualisierte WHO-Schema berücksichtigt zwar immer noch das Aussehen der Zellen, verwendet aber genetische Marker als präzisere Methode zur Unterscheidung zwischen den Tumortypen. Generell müssen Oligodendrogliome sowohl eine IDH-Mutation als auch die 1p- und 19q-Ko-Deletion tragen. Gliome mit einer IDH-Mutation, aber intakten 1p- und 19q-Genomregionen werden als Astrozytome klassifiziert, ebenso wie solche, die keine IDH-Mutation aufweisen.
Die molekulare Klassifizierung ermöglicht es Onkologen, Chemotherapie, Strahlentherapie oder eine Kombination zu verschreiben – auch wenn der Tumor eines Patienten ein intermediäres Erscheinungsbild aufweist. Und indem das Schema Hinweise darauf gibt, wie aggressiv ein Tumor wahrscheinlich sein wird, hilft es den Ärzten, die Risiken und Vorteile verschiedener chirurgischer Strategien abzuwägen.
Verblüffenderweise scheint die IDH-Mutation Gliome sowohl in Gang zu setzen als auch ihren Schweregrad zu mildern. Da mehrere Arten von Hirntumoren IDH-Mutationen gemeinsam haben, könnte diese Veränderung ein frühes Ereignis in der Tumorentwicklung sein. „IDH ist wahrscheinlich das Gatekeeper-Gen von Hirntumoren“, sagt Yan.
Doch die Forscher sind sich nicht sicher, wie die IDH-Mutation dazu beiträgt, Zellen bösartig zu machen. Sie wissen, dass mutierte IDH-Enzyme die massive Überproduktion eines Metaboliten namens 2-Hydroxyglutarat ankurbeln. Diese Verbindung verändert auf breiter Basis die Muster auf der DNA von epigenetischen Markern – molekulare „Schalter“, die Gene an- oder abschalten können. Da jedoch so viele solcher Veränderungen in Tumoren auftreten, kann es schwierig sein, diejenigen herauszufiltern, die für die Tumorbildung am wichtigsten sind, geschweige denn zu bestimmen, welche Faktoren dazu führen, dass einige Tumoren mit einer IDH-Mutation zu Oligodendrogliomen, andere jedoch zu Astrozytomen werden.
Dennoch hat die Bedeutung der IDH-Mutation bei Gliomen und anderen Krebsarten die Bemühungen zur Entwicklung von Medikamenten, die die mutierten IDH-Enzyme blockieren, beflügelt. Die Hoffnung ist, dass solche Medikamente helfen könnten, die nachfolgenden epigenetischen Veränderungen zu verhindern, so dass sich die Zellen normal differenzieren können. Ein Medikament, das auf die mutierte IDH2 abzielt, wurde 2017 für den Einsatz bei Menschen mit akuter myeloischer Leukämie zugelassen. Bisher haben sich solide Tumore als schwieriger zu behandeln erwiesen, aber Phase-I- und Phase-II-Studien von mindestens fünf Medikamenten, die auf IDH1 oder IDH2 bei Menschen mit Hirntumoren abzielen, sind im Gange.
Märchen vom Telomer
Groß angelegte Genomikstudien haben Hunderte von genetischen Veränderungen bei Hirntumoren identifiziert. „Wir haben jetzt also eine große Sammlung von Wissen darüber, was man im Tumor des Patienten finden kann“, sagt Sidi Chen, ein Genetiker an der Yale School of Medicine in West Haven, Connecticut. Er und seine Kollegen versuchen nun, die Bedeutung dieser Mutationen herauszufinden, damit sie für personalisierte Behandlungsentscheidungen genutzt werden können.
Chen wendet für seine Untersuchungen das Gen-Editing-Werkzeug CRISPR-Cas9 an einem Mausmodell an. Die Technologie, sagt Chen, ermöglicht es ihm, „heranzuzoomen, welche Gene und Genkombinationen wichtiger sind als die anderen“. Im Jahr 2017 berichtete Chens Team, dass Mutationen in zwei Genen, Zc3h13 und Pten, Krebszellen resistent gegen ein gängiges Chemotherapie-Medikament machen können5. Es identifizierte auch Paare von Mutationen, die ausreichen, um GBM zu verursachen.
Krebszellen müssen einen Mechanismus zur Aufrechterhaltung von Strukturen haben, die als Telomere bekannt sind, die sich an den Enden der Chromosomen befinden und eine Rolle bei der Zellalterung spielen. In normalen Zellen verkürzen sich die Telomere mit der Zeit, bis sich die Zellen nicht mehr teilen können. In Tumoren jedoch bleiben die Telomere lang und verleihen den Zellen Unsterblichkeit.
Einige GBM-Tumoren tragen Mutationen in einer DNA-Region, dem sogenannten TERT-Promotor. Diese Mutationen führen zu einer Überexpression der katalytischen Untereinheit der Telomerase, eines Enzyms, das DNA-Wiederholungen an die Enden der Telomere anhängt, um sie intakt zu halten. Andere tragen eine Mutation im Gen ATRX, die zu einem Phänomen führt, das als alternative Verlängerung der Telomere (ALT) bekannt ist.
Diese beiden Mechanismen tragen zur Telomererhaltung bei vielen Krebsarten bei. Die Wissenschaftler waren sich jedoch nicht sicher, wie die Telomere in GBM-Tumoren erhalten werden, die keine Mutationen im TERT-Promotor oder ATRX tragen. In diesem Jahr fand Yans Gruppe heraus, dass solche Tumore chromosomale Rearrangements aufweisen können, die das Gen TERT6 stören und so einen weiteren Weg zur Überexpression der Telomerase schaffen. Sie entdeckten auch ein weiteres Gen, SMARCAL1 genannt, das den ALT-Prozess antreiben kann, wenn es mutiert ist.
Zusammen können diese vier genetischen Veränderungen die Telomererhaltung in fast allen GBM-Tumoren erklären. Und Yan glaubt, dass seine Ergebnisse die Möglichkeit von personalisierten Behandlungen eröffnen, die auf die spezifische Telomer-bezogene genetische Anomalie jedes Tumors abzielen können. „Jeder Patient: Sie haben eine Antwort für sie“, sagt er. „Es ist erstaunlich.“
Familienerbstücke
Ein weiteres Teil des Puzzles der Hirntumor-Genetik ist das vererbte Risiko. Genomweite Assoziationsstudien haben spezifische Variationen identifiziert, die mit der Entwicklung der Krankheit assoziiert sind. Etwa 40 % der Menschen mit Oligodendrogliomen oder Astrozytomen mit einer IDH-Mutation tragen eine Variation, die als Single Nucleotide Polymorphism (SNP) in der Region 8q24 des Genoms bekannt ist. Ein weiterer SNP, der das Risiko für IDH-mutierten Hirnkrebs zu erhöhen scheint, findet sich in der Region 11q23. Aber wenig ist bekannt über die Mechanismen hinter diesen Assoziationen.
Ungefähr 5-8% der Gliome sind familiär, was bedeutet, dass sie bei Menschen mit mindestens einem anderen engen biologischen Verwandten auftreten, der ein Gliom hatte, sagt Melissa Bondy, eine Epidemiologin am Baylor College of Medicine. Im Jahr 2014 identifizierte Bondys Team das erste Gen, das mit familiären Gliomen in Verbindung gebracht wurde, POT17. Ihr Team hat POT1-Mutationen in 6 der fast 300 untersuchten Familien mit Gliom gefunden, ein Ergebnis, das Bondy als „partiellen Homerun“ bezeichnet. Außerdem hat sie fast 20 weitere Gene identifiziert, die zum vererbten Risiko beitragen könnten.
Familiäre und nicht-familiäre Gliome scheinen ähnliche Krankheitsmechanismen zu haben. „Es tritt in einem etwas jüngeren Alter auf“ bei Menschen mit einer Familiengeschichte des Krebses, sagt Bondy. Aber: „Wenn wir uns den Mechanismus ansehen, der an der Tumorentstehung von Gliomen beteiligt ist, sieht es so aus, als gäbe es keinen Unterschied.“
Bondy hofft, mehr Familien mit Gliomen rekrutieren zu können, um herauszufinden, wie POT1 und die anderen Gene, die sie identifiziert hat, die Prognose und das Ansprechen auf die Behandlung einer Person beeinflussen. Um mehr darüber zu erfahren, wie diese Gene zur Bildung von Hirntumoren beitragen, arbeitet sie mit Deneen zusammen, der ein CRISPR-Cas9-Mausmodell entwickelt hat, um die Auswirkungen verschiedener Mutationen desselben Gens auf die Entwicklung von Gliomen zu untersuchen.
Deneen sagt, dass diese Forschung das „Hotspot“-Modell der Krebsgenomik in Frage stellt, bei dem man annimmt, dass Gene, die bei vielen Krebsarten mutiert sind, für alle wichtig sind. Stattdessen gilt: „Varianten, die bei einer Krebsart eine Rolle spielen, spielen nicht unbedingt auch bei anderen Krebsarten eine Rolle.“
Außerdem können sich zwei Varianten desselben Gens sehr unterschiedlich verhalten – eine könnte wichtig dafür sein, dass eine Zelle bösartig wird, während die andere nur dabei ist. Oder zwei Varianten desselben Gens können Krebserkrankungen mit unterschiedlichen Eigenschaften hervorrufen. „Wir können im Grunde genommen einen einzigen Aminosäureunterschied betrachten und drastische Veränderungen sehen“, sagt Deneen. Das deutet darauf hin, dass eine Ära der noch tieferen Entschlüsselung von Gliom-assoziierten Mutationen vor uns liegt.