Forscher am Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben einen neuen Ansatz entwickelt, der Tumorzellen Kupfer entzieht und damit abtötet.

Kupfer ist ein lebensnotwendiges Spurenelement. Allerdings brauchen Tumorzellen deutlich mehr davon als gesunde Zellen für ihr ausuferndes Wachstum. Genau das gilt es zu vermeiden, weshalb Forscher am Max-Planck-Institut für Polymerforschung einen neuen Ansatz entwickelt haben, der den Tumorzellen Kupfer effektiv entzieht und somit absterben lässt. Konkret sind es Nanofasern aus Kupfer-bindenden Peptiden, die die Kupfer Homöostase in Krebszellen stören. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse nun in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Doch zunächst: Was genau passiert in den Zellen. Sie regulieren die Konzentration und Verfügbarkeit von Kupferionen sehr streng. Einerseits müssen genug Kupferionen „griffbereit“ sein, andererseits muss die Konzentration freier Kupferionen im Cytoplasma extrem gering gehalten werden, um unerwünschte Nebeneffekte zu vermeiden. Extrazelluläre, zweiwertige Kupfer-Ionen werden deshalb zu einwertigem Kupfer reduziert, in die Zelle transportiert, in Pools gelagert und bei Bedarf auf diejenigen Biomoleküle übertragen, die sie benötigen. Um das zelluläre Kupfer-Gleichgewicht beizubehalten (Homöostase), haben Zellen ausgeklügelte Verkehrswege entwickelt, die über verschiedene Transporter, Liganden, Chaperone (Proteine, die bei der korrekten Faltung anderer komplexer Proteine helfen) und Co-Chaperone laufen.

Wachstum braucht Kupfer

Da Krebszellen viel stärker wachsen und sich vermehren, haben diese einen deutlich erhöhten Bedarf an Kupferionen. Ihnen diesen Zugriff zu verwehren, könnte ein neuer Therapieansatz sein. Das Problem: Bisher konnten noch keine Wirkstoffe entwickelt werden, die Kupferionen mit ausreichend hoher Affinität binden, um sie den Kupfer-bindenden Biomolekülen der Tumorzellen „wegzunehmen“.

Tanja Weil, Direktorin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (Mainz), und ihrem Team ist es nun in Kooperation mit der Stanford University School of Medicine, dem Institut für Molekulare Biologie in Mainz sowie der Goethe-Universität Frankfurt gelungen, ein solches System zu entwickeln. Als Herzstück wählten sie die Kupfer-bindende Domäne des Chaperons Atox1. An dieses Peptid knüpften sie einen Baustein, der die Aufnahme in Tumorzellen fördert. Ein dritter Part sorgt dafür, dass die einzelnen Moleküle in den Tumorzellen zu Nanofasern aggregieren. In dieser Form tragen die Fasern viele Kupfer-bindende Stellen in passender räumlicher Anordnung auf ihrer Oberfläche, um Kupfer-Ionen jeweils von drei Seiten mit Thiol-Gruppen „in die Zange nehmen“ zu können (Chelat-Komplex).

Die Affinität dieser Nanofasern zu Kupfer ist so hoch, dass sie Kupfer-Ionen auch in Anwesenheit Kupfer-bindender Biomoleküle festhalten. Die Kupfer-Pools der Tumorzelle laufen daher leer und Biomoleküle, die Kupferionen benötigen, werden inaktiv. In der Folge wird das Redox-Gleichgewicht der Tumorzelle gestört, es kommt zu vermehrtem oxidativem Stress und die Tumorzelle stirbt ab.

Keine Cytotoxität gegenüber gesunden Zellen

Bei den unter speziellen Bedingungen an Zellkulturen durchgeführten Experimenten waren so mehr als 85 Prozent einer Brustkrebszellkultur nach 72 Stunden abgestorben, während sich keine Cytotoxizität gegenüber einer gesunden Zelllinie zeigte. Das Forschungsteam hofft, dass sich aus diesen grundlegenden Experimenten in einigen Jahren vielleicht anwendbare Behandlungsansätze gegen Krebs entwickeln lassen.