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Innsbruck (universität) - In der Strahlentherapie werden verschiedene Moleküle erprobt, um die Wirkung
der Strahlung auf Krebszellen zu verbessern. Forscher um Stephan Denifl von der Universität Innsbruck beobachteten
nun, dass langsame Elektronen von Nimorazol-Molekülen äußerst effektiv eingefangen werden. Dieses
Ergebnis kann eine Erklärung für die selektive Wirkung dieses in der Strahlentherapie bereits eingesetzten
Wirkstoffs liefern.
Schon Anfang des 19. Jahrhunderts wurde vom Wiener Radiologen Gottwald Schwarz erkannt, dass der überlebenswichtige
Sauerstoff in Zellen deren Schädigung durch Röntgenstrahlung fördert. Durch diese Eigenschaft entsteht
eine paradoxe Situation für die Bekämpfung von Krebstumoren in der Strahlentherapie, da Tumore aufgrund
ihres enthemmten Wachstums Bereiche bilden, in denen eine ausgeprägte Sauerstoffarmut herrscht; diese Regionen
sprechen aber durch den fehlenden Sauerstoff schlechter auf die Strahlung an als gesundes Gewebe. Um diesen Effekt
aufzuheben, werden in der Krebsmedizin verschiedene Moleküle getestet, welche die Wirkung von Sauerstoff in
sauerstoffarmen Tumoren imitieren soll. Ein Molekül, das erfolgreich in klinischen Studien getestet wurde,
ist das Nimorazol-Molekül. Das in der Medizin sonst als Antibiotikum verwendete Medikament wird in Dänemark
mittlerweile bei der Bekämpfung von Rachen- und Kehlkopftumoren in der Strahlentherapie eingesetzt. Der exakte
Wirkungsmechanismus auf der molekularen Ebene ist allerdings unbekannt und beruht auf Hypothesen, die auf eine
Bestätigung warten.
Moleküle fangen Elektronen ein
Die Innsbrucker Forscher untersuchten in Zusammenarbeit mit Forscherteams aus vier Ländern die Frage,
ob langsame Elektronen, die durch die Bestrahlung im Tumorgewebe freigesetzt werden, eine Rolle für die Wirkung
des Moleküls spielen. „Die Experimente mit einzelnen Molekülen zeigten, dass Nimorazol langsame Elektronen
außergewöhnlich effizient einfängt. Das Molekül zeichnet sich danach auch durch große
Stabilität aus, indem es intakt bleibt“, erzählt Rebecca Meißner, die Erstautorin der in Nature
Communications veröffentlichten Arbeit. „Sonst spalten Moleküle sich häufig auf, sobald ein freies
Elektron eingefangen wird.“ In weiteren Experimenten haben die Wissenschaftler den Einfluss der Zellumgebung näherungsweise
simuliert, indem sie Nimorazol mit Wassermolekülen umgaben. „Die Resultate zeigten, dass das Einfangen der
Elektronen in dieser komplexeren Umgebung noch verstärkt wird“, schildert Projektleiter Stephan Denifl vom
Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck.
Empfindlichkeit von Tumorgewebe steigern
Diese Ergebnisse liefern einen Hinweis, warum der Wirkstoff speziell zur Strahlentherapie von sauerstoffarmen
Tumoren eingesetzt werden kann. Das Molekül mit dem eingefangenen Elektron stellt selbst ein Radikal dar,
das sich an die durch Strahlung geschädigte DNA bindet und dadurch zelleigene Reparaturmechanismen in Tumorzellen
verhindert. In anderen Zellen, wo aber genügend Sauerstoff vorhanden ist, gibt das Nimorazol das eingefangene
Elektron wieder an den Sauerstoff ab und wird dadurch recycelt. Damit ist eine Anreicherung des notwendigen Radikals
in den sauerstoffarmen Zellen erzielbar und es wird die mangelnde Sensitivität gegenüber der Strahlung
vermindert.
Diese Studie zeigt auch Perspektiven für das zukünftige Design von Molekülen auf, um die Sensitivität
von Tumorgewebe zu verbessern. „Durch entsprechende Wahl der molekularen Struktur ließe sich die Effizienz
des Elektroneneinfangens noch weiter optimieren“ meint Stephan Denifl. „Dabei dürfen aber natürlich auch
nicht die biochemischen und pharmazeutischen Eigenschaften außer Acht gelassen werden.“
Der österreichische Wissenschaftsfonds FWF hat die Arbeit finanziell unterstützt.
Publikation: Low-energy electrons
transform the nimorazole molecule into a radiosensitiser. Rebecca Meißner, Jaroslav Kocišek, Linda Feketeová
, Juraj Fedor, Michal Fárník, Paulo Limão-Vieira, Eugen Illenberger & Stephan Denifl.
Nature Communications 10, 2388 (2019)
DOI: 10.1038/s41467-019-10340-8
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