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Mathematische Methoden in der Biologie haben sich in den vergangenen 25 Jahren zunehmend etabliert. Etwa in den Bereichen der Entwicklung von Organen und Organismen sind große Anstrengungen in der Mathematik unternommen worden, die grundlegenden Mechanismen der Entwicklung aufzudecken. Der einfache Gedanke, auf dem diese Methode aufbaut, ist ein reduktionistischer: Man verwendet einen minimalen Satz von in der Biologie beobachteten Wechselwirkungen – etwa zwischen den Zellen, die das betrachtete Gewebe aufbauen –, übersetzt sie in ein mathematisches System von dynamischen Gleichungen, löst diese auf dem Computer und prüft, ob sich in der Lösung die erwartete Struktur zeigt. Wenn dies allein aufgrund experimenteller Daten aus der Biologie nicht möglich ist, ergibt sich der größte Nutzen der mathematischen Beschreibung: Dann sind neue Hypothesen im mathematischen Modell notwendig, um das reale System beschreiben zu können. Damit sagen die Theoretiker Zusammenhänge voraus, die aus der Biologie alleine nicht ableitbar sind. Diese können durch neue gezielte Experimente verifiziert werden. Ein ähnlicher Ansatz wurde in jüngerer Zeit von unserer Gruppe am Frankfurter Instute for Advanced Studies (FIAS) in der Immunologie verwendet.
Das CD-44-Molekül ist ein membranständiger Oberflächenrezeptor, der als Adhäsionselement von Tumorzellen im Rahmen der Metastasierung genutzt wird. Berichte verweisen auf eine direkte Korrelation zwischen CD-44-Expression eines Tumors und der klinischen Prognose. Darüber hinaus kann der CD-44-Rezeptor auch intrazelluläre Signalwege aktivieren, und als solches Signalelement in die Regulation des Zellzyklus eingreifen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde postuliert, dass der CD-44-Rezeptor zellzyklusabhängige Veränderungen erfährt und sich daraus Modifikationen des Adhäsionsverhaltens von Tumorzellen ergeben.
Repräsentativ wurde an der Magenkarzinom-Zell-Linie MKN-45 die CD-44-Expression bzw. dessen Splice-Varianten während des Zellzyklus fluorometrisch untersucht (FACS-Analyse, konfokale Laserscan-Mikroskopie). Parallel wurde das Adhäsionsverhalten an isolierten und kultivierten humanen Endothelzellen evaluiert. Die Tumorzellen wurden zuvor mittels Aphidicolin synchronisiert. Als Kontrolle dienten nicht-synchronisierte Zellen.
Die Untersuchungen verdeutlichten eine spezifische Expression der CD-44-Varianten CD44v4, CD44v5, CD44v7. Die Inkubation der Tumorzellen mit Aphidicolin bewirkte eine ausgeprägte Akkumulation von MKN-45-Zellen in der S-Phase. Nach Absetzen des Aphidicolins und Freisetzung in den Zellzyklus kam es zur signifikanten zyklusabhängigen Modulation der Rezeptorexpression. CD44v4, CD44v5 und CD44v7 waren in der G2/MPhase gegenüber der G0/G1- und S-Phase deutlich vermehrt auf der Membran detektierbar. In der G2/M-Phase erhöhte sich zudem signifikant die Adhäsionskapazität der MKN-45-Zellen. Blockadestudien mit gegen die CD-44-Varianten gerichteten monoklonalen Antikörpern belegten die CD-44-abhängige Tumorzell-Endothelzell-Interaktion.
Die Studien belegen zumindest am in vitro Zellkulturmodell die zellzyklus-gesteuerte CD-44-Expression und CD-44-abhängige Invasionseigenschaften von Tumorzellen. Es lässt sich daraus ableiten, dass eine anti-tumorale Therapie an zuvor synchronisierten Tumorzellen womöglich besonders effektiv sein kann. Auch die pharmakologische Blockade des CD-44-Rezeptors könnte einen anti-tumoralen Effekt besitzen.