Doppelschlag gegen Krebs: Mangan aktiviert Stresssensoren und tötet Tumore

Wissenschaftler des Instituts für Biophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), der University of Minnesota und des US-amerikanischen National Cancer Institute (NCI) unter der Leitung von Professor Wang Likun veröffentlichten in iScience eine Studie, die zeigt, dass zweiwertige Manganionen (Mn²⁺) Krebszellen buchstäblich „in die Selbstzerstörung treiben“ können, indem sie den ER-Stresssensor IRE1α überaktivieren und über die RIDD- und JNK-Signalwege Apoptose induzieren.

Hintergrund: UPR und die Rolle von IRE1α

1. Qualitätskontrolle von Proteinen. Falsch gefaltete Proteine sammeln sich im endoplasmatischen Retikulum (ER) von Zellen an und lösen über drei Sensoren die „ER-Stressreaktion“ (UPR) aus: IRE1α, PERK und ATF6.

2. Duale Natur von IRE1α.

• Adaptive Aktivierung: Mäßiger ER-Stress induziert XBP1-Spleißen → Wiederherstellung der Homöostase.
• Terminale Reaktion: Unter starkem oder anhaltendem Stress deaktiviert IRE1α den XBP1-Zweig und löst stattdessen RIDD- (Regulated IRE1α-Dependent Decay) und JNK-vermittelte Kaskaden → Apoptose aus.

Diese Dualität fasziniert Onkologen schon lange, doch die vorherrschende Idee bestand darin, IRE1α zu unterdrücken, um die adaptiven Abwehrkräfte des Tumors zu schwächen. Die neue Studie schlägt den umgekehrten Ansatz vor: die Hyperaktivierung von IRE1α.

Versuchsprotokoll und Schlüsselmethoden

1. Zellkultur:

   • Brustkrebs (MCF-7), hepatozelluläres Karzinom (HepG2) und normale Kontrollzelllinien (HEK293).

   • Zugabe von MnCl₂ (0–200 µM) für 24–48 h.

2. Biochemischer Nachweis der IRE1α-Aktivierung:

   • Die IRE1α-Phosphorylierung (Western Blot) nahm dosisabhängig bei 50–100 µM Mn²⁺ zu.

   • RNase-Aktivität (RIDD): Der Zerfall von Ziel-mRNAs (Blos1, Sparc) wurde mittels qPCR gemessen.

   • JNK-Signalweg: Die Konzentrationen von p-JNK und seinen Substraten (c-Jun) stiegen um das 2- bis 3-fache.

3. XBP1s-Spleißen:

   • RT-PCR-Tests zeigten, dass Mn²⁺ den Spiegel der XBP1s-Spleißvariante nicht erhöht, d. h. es überlastet spezifisch den Endzweig des UPR.

4. Apoptose und Zellüberleben:

   • Die Durchflusszytometrie (Annexin V/PI) ergab bis zu 60 % apoptotische Zellen nach 48-stündiger Behandlung mit 100 µM Mn²⁺;

   • Die MTT-Analyse bestätigte bei gleicher Dosis eine Verringerung der Lebensfähigkeit von Krebszellen um bis zu 30 %, während bei normalen Zellen eine Überlebensrate von 80 % erhalten blieb.

5. Molekulare Kontrolle:

   • Durch genetisches Knockout von IRE1α (CRISPR–Cas9) wurde die Zytotoxizität von Mn²⁺ vollständig aufgehoben, was die Abhängigkeit von IRE1α belegt.

   • Die Verabreichung von niedermolekularen JNK-Inhibitoren (SP600125) reduzierte die Apoptose um etwa 50 %, was auf eine Beteiligung dieses Zweigs hindeutet.

Präklinische In-vivo-Modelle

1. Mausmodell für Brustkrebs:

   • Intratumorale Verabreichung von MnCl₂ (1 mM, 20 µL) zweimal wöchentlich über 3 Wochen.

   • Tumorwachstum: In über 80 % der Fälle schrumpften oder stabilisierten sich die Tumoren; die Kontrollen entwickelten sich weiter.

2. Toxizität und Sicherheit:

   • Die Blutchemie (ALT, AST, Kreatinin) blieb im Normbereich.

   • Histologie von Organen (Leber, Niere, Herz) ohne erkennbare Schäden.

3. Expression apoptotischer Marker:

   • Erhöhte Aktivität von Caspase-3- und TUNEL-positiven Zellen an Tumorstellen.

Bedeutung und Perspektiven

„Wir haben erstmals gezeigt, dass die selektive Überaktivierung von IRE1α mit Mn²⁺ das UPR-Protokoll in Tumorzellen umkehrt und die Apoptose priorisiert“, erklärt Prof. Wang Likun. „Dies eröffnet einen neuen Zweig der Krebstherapie, in dem wir die Abwehrmechanismen nicht unterdrücken, sondern ‚überladen‘.“

• Kontrastmittel und Onkotherapie? Mangan wird bereits in MRT-Kontrastmitteln verwendet, was eine schnelle Übertragung der Therapie ermöglichen könnte.
• Entwicklung von Mn²⁺-Donatoren: gezielte Nanodonatoren, die Mn²⁺ gezielt an den Tumor abgeben und so die systemische Belastung minimieren.
• Kombination mit Immuntherapie: Eine verstärkte Apoptose kann die Neoantigenproduktion erhöhen und die Reaktion auf Checkpoint-Inhibitoren verbessern.

Die Autoren betonen mehrere wichtige Punkte:

• Ein neues Paradigma für die UPR-Therapie
  „Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, eine Antitumorwirkung zu erzielen, indem man den UPR-Sensor IRE1α überaktiviert, anstatt ihn zu unterdrücken“, sagt Prof. Wang Likun (CAS). „Dies eröffnet eine neue Strategie für die Krebstherapie, die auf der ‚Überlastung‘ des ER-Stresses basiert.“

• Die Spezifität des Mechanismus
  „Mn²⁺ stimuliert selektiv die RIDD- und JNK-Zweige von IRE1α, ohne den adaptiven XBP1s-Signalweg zu aktivieren“, bemerkt Dr. Li Chang (NCI). „Diese ‚voreingenommene‘ Reaktion gewährleistet die Apoptose von Tumorzellen mit minimalen Auswirkungen auf normale Zellen.“

• Aussichten für die klinische Umsetzung
  „Da Mangan bereits als Kontrastmittel in der MRT eingesetzt wird, haben wir alle Chancen, Mn²⁺-Spender schnell für die Klinik anzupassen“, kommentiert Prof. Sarah Lee (Minnesota). „Der nächste Schritt ist die Entwicklung gezielter Transportsysteme zum Tumor.“

• Potenzial für Kombinationstherapie
  „Eine Überaktivierung von IRE1α könnte die Neoantigenproduktion steigern und das Ansprechen auf eine Immuntherapie verbessern“, ergänzt Dr. Tanaka (CAS). „Die Kombination von Mn²⁺ mit Checkpoint-Inhibitoren verspricht einen synergistischen Effekt.“

• Sicherheit und Selektivität
  „In unseren präklinischen Modellen verursachte Mn²⁺ keine Schäden an normalem Gewebe und erhöhte auch nicht die systemische Toxizität“, bemerkt Dr. Martinez (Minnesota). „Dies ist für den Beginn klinischer Studien von entscheidender Bedeutung.“

Diese Studie schlägt einen neuen Kurs für die Krebsbehandlung durch kontrollierte Aktivierung der zellulären Stressreaktion ein und stellt Mangan als Antitumormittel vor, das in der Lage ist, die Überlebensmechanismen von Krebszellen zu überlasten.