Eine von Forschern von Weill Cornell Medicine geleitete Studie zeigt, dass Wirbelsäulenwirbel aus einem einzigartigen Stammzelltyp stammen, der ein Protein absondert, das die Tumormetastasierung begünstigt. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für neue Forschungsrichtungen bei Wirbelsäulenerkrankungen, liefert Erkenntnisse darüber, warum solide Tumoren häufig in die Wirbelsäule metastasieren, und kann zu neuen orthopädischen und Krebsbehandlungen führen.
In der am 13. September in Nature veröffentlichten Studie fanden Forscher heraus, dass Wirbel aus einem Stammzelltyp stammen, der sich von anderen knochenbildenden Stammzellen unterscheidet. Mithilfe knochenähnlicher „Organismen“, die aus Stammzellen der Wirbelsäule hergestellt wurden, fanden sie heraus, dass die bekannte Tendenz von Tumoren, sich auf die Wirbelsäule auszubreiten – und nicht auf lange Knochen wie die Beinknochen – größtenteils auf ein Protein namens MFGE8 zurückzuführen ist, das von diesen Stammzellen abgesondert wird.
„Wir vermuten, dass viele orthopädische Erkrankungen, die vorzugsweise die Wirbelsäule betreffen, auf die einzigartigen Eigenschaften vertebraler Stammzellen zurückzuführen sind“, sagte der leitende Autor der Studie, Matthew Greenblatt, MD, außerordentlicher Professor für Pathologie und Labormedizin am Weill Cornell Medical Center, Mitglied des Sandra and Edward Meyer Cancer Center und Pathologe am NewYork-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center.
In den letzten Jahren haben Dr. Greenblatt und andere Wissenschaftler herausgefunden, dass verschiedene Knochentypen aus unterschiedlichen Arten von Knochenstammzellen entstehen. Da sich Wirbel früh im Leben auf einem anderen Weg entwickeln als andere Knochen, etwa Arm- und Beinknochen, und offenbar einen einzigartigen Entwicklungsverlauf haben, stellten Dr. Greenblatt und sein Team die Hypothese auf, dass es möglicherweise einen einzigartigen Typ spinaler Stammzellen gibt.
Die Forscher isolierten zunächst die bekannten Skelettstammzellen, die alle Knochen und Knorpel bilden, aus verschiedenen Knochen von Labormäusen auf der Grundlage bekannter Oberflächenproteinmarker von Skelettstammzellen. Anschließend analysierten sie die Genaktivität dieser Zellen, um zu sehen, ob sie einzigartige Zellmuster im Zusammenhang mit der Wirbelsäule finden konnten.
Neue Stammzellen, die die Wirbelsäule bilden, werden in einen Modellorganismus transplantiert und lassen dort Miniaturwirbel (rot) bilden. Brustkrebs-Tumorzellen (grün) dringen in den Knochen ein, was darauf hindeutet, dass diese neue spinale Stammzelle für die Rekrutierung von Brustkrebszellen verantwortlich ist. Quelle: Sun Jun
Diese Arbeit führte zu zwei wichtigen Erkenntnissen. Erstens ist die insgesamt neue Definition von Skelettstammzellen auf der Grundlage von Oberflächenmarkern genauer. Diese neue Definition schließt eine Gruppe von Nicht-Stammzellen aus, die in der alten Stammzellendefinition enthalten sind, wodurch einige frühere Forschungen auf diesem Gebiet verdeckt werden.
Die zweite Erkenntnis ist, dass Skelettstammzellen aus verschiedenen Knochen tatsächlich systematische Unterschiede in der Genaktivität aufweisen. Durch diese Analyse identifizierte das Team einen einzigartigen Satz von Markern für Stammzellen der Wirbelsäule und bestätigte die funktionelle Rolle dieser Zellen bei der Bildung von Wirbelsäulenknochen in weiteren Experimenten an Mäusen und in experimentellen Zellkultursystemen.
Als nächstes untersuchten die Forscher die relative Attraktivität der Wirbelsäule im Vergleich zu anderen Knochenarten für Tumormetastasen, einschließlich Brust-, Prostata- und Lungenkrebs. Konventionelle Theorien der 1940er Jahre legten nahe, dass dieser „Wirbelsäulentropismus“ mit Blutflussmustern zusammenhängt und dass die Wirbelsäule anfälliger für metastatische Tumoren ist als die Röhrenknochen. Doch als die Forscher das Phänomen des spinalen Tropismus in Tiermodellen reproduzierten, fanden sie Hinweise darauf, dass der Blutfluss nicht die Ursache war – vielmehr fanden sie einen Hinweis darauf, dass spinale Stammzellen der mögliche Schuldige sein könnten.
„Wir beobachteten, dass sich die ursprüngliche Aussaatstelle metastatischer Tumorzellen hauptsächlich in der Knochenmarksregion befand, wo sich spinale Stammzellen und ihre Nachkommenzellen befinden“, sagte Jun Sun, Ph.D., Erstautor der Studie und Postdoktorand in Greenblatts Labor.
Das Team stellte dann fest, dass durch die Entfernung von Stammzellen der Wirbelsäule der Unterschied in der Metastasierungsrate zwischen Wirbelsäulenknochen und Röhrenknochen beseitigt wurde. Letztendlich stellten sie fest, dass Stammzellen der Wirbelsäule mehr Protein MFGE8 absondern als Stammzellen langer Knochen und ein wesentlicher Faktor für den Tropismus der Wirbelsäule sind. Um die Relevanz dieser Erkenntnisse für den Menschen zu bestätigen, arbeitete das Team mit Forschern des Hospital for Special Surgery zusammen, um die menschlichen Gegenstücke der spinalen Stammzellen von Mäusen zu identifizieren und ihre Eigenschaften zu charakterisieren.
Forscher erforschen derzeit Möglichkeiten, MFGE8 zu blockieren, um das Risiko einer Wirbelsäulenmetastasierung bei Krebspatienten zu verringern. Im weiteren Sinne, so Dr. Greenblatt, untersuchen sie, wie die einzigartigen Eigenschaften spinaler Stammzellen zu Wirbelsäulenerkrankungen beitragen.
„In der Orthopädie gibt es eine Unterspezialität namens Wirbelsäulenorthopädie, und wir glauben, dass die meisten Erkrankungen in dieser klinischen Kategorie mit dieser Stammzelle zusammenhängen, die wir gerade identifiziert haben“, sagte Dr. Greenblatt.