Lage, Hermann: Atypische pleiotrope Zytostatikaresistenz (Multidrug-Resistenz) humaner Tumorzellen

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Kapitel 1. Einleitung

1.1 Allgemeine Einführung

Jährlich erkranken in der Bundesrepublik Deutschland etwa 350.000 Menschen neu an einem bösartigen Tumor bzw. einer malignen Systemerkrankung. Weniger als die Hälfte dieser Patienten kann mit einer definitiven Heilung rechnen. So verstarben z.B. im Jahr 1997 insgesamt 209.233 Personen an den Folgen einer Tumorerkrankung; dieses entspricht einem Anteil von 24,3 % aller Todesfälle. Zu den drei Säulen der modernen Krebsbehandlung, der Operation, der Strahlentherapie und der medikamentösen Behandlung mit Zytostatika und Hormonen kommt ein weiteres Spektrum unterstützender Maßnahmen hinzu. Bei der überwiegenden Zahl der Patienten ist eine Therapie mit primär kurativer Intention entweder von vornherein nicht möglich oder sie wird durch den späteren Nachweis einer ausgedehnten lokoregionären bzw. generalisierten Metastasierung hinfällig. Für diese Patienten bestehen nur noch Möglichkeiten einer palliativen Behandlung oder Linderung von Tumorsymptomen. Bei etwa zwei Dritteln der Patienten ist dieses Ziel erreichbar. Ein Teil von ihnen profitiert von der Behandlung nicht nur im Sinne einer Palliation, sondern auch einer Lebensverlängerung.

Eine zytostatische Chemotherapie kommt in der Regel zum Einsatz, wenn die maligne Erkrankung weit fortgeschritten oder, wie im Falle hämatologischer Malignome schon primär generalisiert sind. Aufgrund der geänderten Stoffwechsellage von Neoplasien ist es möglich, diese durch die Applikation bestimmter Substanzen in stärkerem Maße zu schädigen, als den Gesamtorganismus. So wird unter einer Chemotherapie im engeren Sinne der Einsatz von bioaktiven Substanzen verstanden, die in den Stoffwechsel maliger Zellen und derer Zellteilungsvorgänge zytostatisch oder zytotoxisch einwirken. Die dabei zum Einsatz kommenden antineoplastischen Substanzen wirken dabei prinzipiell gegen alle Zellen des Organismus, Tumorzellen zeigen jedoch aufgrund ihrer gesteigerten Proliferationsrate eine wesentlich stärkere Chemosensitivität. Mit anderen Worten: Zellen, die sich in der G0-Phase (Ruhephase) des Zellzyklus befinden - wie es für die meisten körpereigenen Zellen, insbesondere für Zellen bradytropher Gewebe gilt - werden im Gegensatz zu neoplastischen Zellen, die sich in aktiven Zellzyklusphasen befinden, von den häufig zyklusphasenspezifisch wirksamen Therapeutika, erheblich weniger beeinflußt. Bei einem Fortschreiten der malignen


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Erkrankung (Progression), ist je nach Tumorentität und Therapieziel die zytostatische Therapie zu beenden.

Zur chemotherapeutischen Behandlung von Malignomen steht eine Vielzahl verschiedener Wirkstoffe mit antineoplastischen Eigenschaften aus unterschiedlichen Substanzklassen zur Verfügung. Diese unterscheiden sich beträchtlich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer Herkunft, ihrem Wirkungsmechanismus, ihrer Tumorspezifität und ihren Nebenwirkungen. Grundsätzlich können zwei Wirkmechanismen voneinander unterschieden werden:

Der Übergang zwischen zytostatischer - und zytotoxischer Wirkung ist dabei fließend. In der Regel bewirken niedrigere Dosen eine Zytostase, während höhere Dosen zytotoxische Effekte zeigen. Üblicherweise werden antineoplastische Substanzen trotz dieser Unterscheidung allgemein als Zytostatika bezeichnet.

Aufgrund der enormen Bedeutung von Resistenzen gegenüber Zytostatika korrelieren die pharmakodynamischen Wirkungen meist nur sehr unzulänglich mit pharmakokinetischen Parametern. Die erreichte Dosisintensität, angegeben als verabreichte Dosis pro Zeit in mg/m2/Woche, entspricht der Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve (AUC, area under the curve) im Serum. Bei onkologischen Patienten wird der AUC oftmals beeinflußt von entstehender Hepato- und Nephropathie sowie Diarrhö, Mukositis, Pleuraerguß oder Aszites. Auch bei optimierten Serumkonzentrationen, übt die Tumorvaskularisierung einen entscheidenden Einfluß auf die zu erreichende Zytostatikakonzentration im Tumor aus. Aufgrund zellulärer Resistenzmechanismen kann die Wirkstoffaufnahme des Tumors weiter reduziert werden. Im Serum kann die Proteinbindung antineoplastischer Substanzen z.B. aufgrund des Vorhandenseins von Paraproteinen stark verändert sein. Es ergibt sich daraus


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eine sehr individuelle Situation für den einzelnen Patienten, für die eine Reihe von Einflußgrößen bestimmend sind. Neben der Tumorentität, der Tumorzellheterogenität und der an der Zielzelle erreichbaren Zytostatikakonzentration kommt dem individuellen Zytostatikaresistenz-Phänotyp eine entscheidende Bedeutung für die pharmakodynamischen Effekte in den neoplastischen Zellen zu.

1.2 Das klinische Problem der pleiotropen Resistenz (Multidrug-Resistenz)

Verschiedene Malignome reagieren sehr unterschiedlich auf den Einsatz von Chemotherapeutika. So werden z.B. bei akuten lymphoblastischen Leukämien (ALL) des Kindesalters, bei Hodenseminomen und bei bestimmten Lymphomen gute therapeutische Erfolge durch eine chemotherapeutische Behandlung erzielt; diese Tumoren sind potentiell durch eine Chemotherapie heilbar. Diese positiven Ergebnisse werden allerdings hauptsächlich bei der Behandlung relativ seltener Tumorentitäten erreicht. Tatsächlich stellen 90% der fortgeschrittenen Tumore, die gut auf eine Chemotherapie ansprechen, nur 10% aller Malignome dar. Im Gegensatz zu diesen günstigen Resultaten sprechen ungefähr 50% aller neoplastischen Gewebe nicht oder nur marginal auf eine Behandlung mit Zytostatika an. Dieses gilt insbesondere für Karzinome, die sich von der Niere, der Nebenniere, dem Kolon, dem Pankreas, der Leber und den Gallenwegen ableiten sowie für maligne Melanome und Hirntumore. Diese Malignome sind typischerweise gegen die heute zur Verfügung stehenden Pharmaka weitgehend unempfindlich, d.h. sie verfügen über Mechanismen, die eine primäre bzw. intrinsische Resistenz gegenüber Zytostatika bewirken. In der klinischen Praxis stellt die meßbare Tumormasse bzw. deren therapeutisch induzierte Veränderung den entscheidenden Parameter dar, der beschreibt ob ein solider Tumor resistent ist oder nicht. Wenn nach einer Chemotherapie eine Vollremission erreicht wird, handelt es sich klinisch um einen chemosensiblen Tumor, anderenfalls gilt er als primär resistent. Dabei ist es gleichgültig, ob sich die gesamte Neoplasie aus a priori resistenten Zellen zusammensetzt oder ob eliminierte chemosensible Tumorzellen durch resistente Zellklone ersetzt werden; das Ergebnis wird vom Kliniker in jedem Falle als primäre klinische Resistenz interpretiert werden.

Die Mehrzahl der Fälle der anderen Pateintenhälfte mit malignen Erkrankungen, wie z.B. bestimmte Mammakarzinome, Ovarialkarzinome oder akute myeloische Leukämien (AML),


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sprechen initial gut auf eine zytostatische Behandlung an, im Behandlungsverlauf verliert die Therapie jedoch ihre Wirkung mit der Folge, daß sich die Malignome nach mehreren Chemotherapiezyklen nicht mehr therapeutisch beeinflussen lassen. Die Tumore haben eine sekundäre Zytostatikaresistenz entwickelt. Selbst unter einer Hochdosischemotherapie und Polychemotherapien mit kombiniertem Einsatz unterschiedlich wirksamer Substanzen können sich sekundäre Resistenzen ausbilden. Zum anderen wird beobachtet, daß Tumore, die anfänglich gut auf eine Chemotherapie reagieren, wie z.B. das kleinzellige Bronchialkarzinom (SCLC, small cell lung carcinoma) meist Rezidive entwickeln, die fast immer chemoresistent sind.

Es zeigt sich zudem oftmals, daß während des Therapieverlaufs nicht nur die eingesetzten Chemotherapeutika ihre zytostatischen Wirkungen verlieren, sondern auch andere antineoplastische Substanzen aus unterschiedlichen Stoffgruppen, die in den vorangegangenen Chemotherapiezyklen nicht appliziert wurden. Dieses Phänomen ist um so bemerkenswerter, da diese Substanzen nicht nur eine völlig verschiedene chemische Struktur aufweisen, sondern auch ihre antineoplastischen Wirkungen auf unterschiedlichen Mechanismen beruhen. Dieser Phänotyp von Malignomen, der sich durch das Auftreten von Kreuzresistenzen bzw. pleiotropen Resistenzen charakterisiert ist, wird auch als Zytoststika-Mehrfachresistenz oder in Anlehnung an die angelsächsische Literatur als Multidrug-Resistenz (MDR) bezeichnet. Der Begriff der Multidrug-Resistenz von Tumoren wurde bereits Ende der 1960er Jahre geprägt und von Biedler und Riehm (1970) erstmalig in die wissenschaftliche Literatur eingeführt.

Es ist bisher nicht geklärt, ob der klinische Phänotyp einer erworbenen Zytostatikaresistenz inklusive einer erworbenen Multidrug Resistenz die Folge eines Selektionsvorteils bereits existierender a priori resistenter Subpopulationen von malignen Zellen in einem sich heterogen zusammensetzenden Tumor ist, oder ob Chemoresistenzen durch die Applikation von antineoplastischen Substanzen in den Tumorzellen induziert werden. Es ist zudem wahrscheinlich, daß sich erworbene Zytostatikaresistenzen aus einer Kombination beider Wege herleiten.


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1.3 Chemoresistenz im Zellkulturmodell

Das Verständnis der für diese Resistenzen zugrunde liegenden molekularen Mechanismen ist von fundamentaler Bedeutung für die Entwicklung von therapeutischen Strategien, die darauf zielen, Zytostatikaresistenzen zu verhindern bzw. zu überwinden. Da eine gezielte und reproduzierbare Untersuchung der Resistenzmechnismen am Patienten nur schwer bzw. überhaupt nicht zu realisieren ist, wurden in den letzten 3 Dekaden von verschiedenen Arbeitsgruppen zahlreiche Zellkulturmodelle entwickelt und analysiert. Zur Etablierung eines solchen Resistenzmodells wird i.d.R. eine bereits vorhandene Tumorzellinie einer bestimmten Tumorentität gegen ein definiertes Zytostatikum selektioniert. D.h., daß eine Zellinie wird einer bestimmten subletalen Zytostatikumkonzentration so lange ausgesetzt, bis die Zellverdoppelungsrate in dieser genau so hoch ist, wie in der Ausgangszellinie. Durch weitere Erhöhung der Zytostatikumkonzentration wird schließlich eine Tochterzellinie generiert, die sich in der Gegenwart hoher Zytostatikumkonzentrationen, die für die Ausgangszellinie toxisch und letal wirken, uneingeschränkt weiter teilt. In diesen Modellsystemen werden ähnliche Phänomene wie bei der Behandlung von Tumorzellen von onkologischen Patienten beobachtet. Auch hier konnten Resistenzphänotypen gegenüber allen wichtigen Chemotherapeutika induziert werden. Insbesondere konnten zahlreiche Zellinien etabliert werden, die unterschiedliche Formen einer Multidrug-Resistenz zeigen. Die heute bekannten Mechanismen, die zur zellulären Zytostatikaresistenz von Tumorzellen führen, sind alle ursprünglich in derartigen Zellkulturmodellen beschrieben worden.

1.4 Chemoresistenzmechanismen

Eine Übersicht über unterschiedliche zelluläre Chemoresistenzmechanismen wird in Lage, 1999; Lage und Dietel, 1999 und Lage und Dietel, 2000 gegeben. Eine allgemeine ausführliche Zusammenfassung der heute diskutierten Resistenzmechanismen ist in Lage, 1999 dargestellt. In diesem Kapitel werden die Begriffe „klassische Multidrug-Resistenz“, die durch die Aktivität des ABC-Transportproteins P-Glykoprotein (P-Gp) vermittelt wird, und „atypische Multidrug-Resistenz“, die durch alle P-Gp unabhängigen Formen der pleiotropen Resistenz gekennzeichnet ist, definiert. Die wesentlichen Mechanismen, die zu atypischen MDRs führen, sind dabei im einzelnen:

In Lage und Dietel, 1999 und Lage und Dietel, 2000 sind spezielle Aspekte zweier erst kürzlich charakterisierter Mechanismen detailliert ausgeführt. Lage und Dietel, 1999 beschäftigt sich mit der Rolle des DNA-Mismatch Repair Systems im Zusammenhang mit Zytostatikaresistenz. In Lage und Dietel, 2000 wird ein neuer ABC-Transporter, das „Breast Cancer Resistance Protein“ (BCRP), und seine Bedeutung für die atypische MDR abgehandelt.


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Mon Sep 9 13:36:15 2002