Heparine bremsen Metastasierung

Eingriff auf mehreren Ebenen

Wie erwähnt, produzieren einige Tumorzellen das Enzym Heparanase, das durch Spaltung von Heparansulfat-Glykosaminoglykanen Teile der EZM degradiert. Dies erleichtert die Migration durch die Matrix. Darüber hinaus vermittelt Heparanase die Freisetzung angiogener Faktoren. Heparin als Substratanalogon hemmt kompetitiv den EZM-Abbau und trägt damit zu verminderter Invasivität und Angiogenese bei (19).

Durch die Blockade des basischen Fibroblasten-Wachstumsfaktors (basic fibroblast growth factor, bFGF) hemmen Heparin-Oligosaccharide mit weniger als zwölf Monomereinheiten Zellteilung und -migration (20). Ein Eingriff in die Angiogenese kann ebenso durch die Inhibition von VEGF erreicht werden. In beiden Fällen sind NMH potentere Hemmstoffe als UFH, wobei Enoxaparin mit kleinerem mittleren Molekulargewicht (4,5 kD) dem etwas größeren Dalteparin (6,0 kD) überlegen ist (21).

Eine Rolle spielt auch das Protein tissue factor pathway inhibitor, das hauptsächlich von Endothelzellen gebildet wird. TFPI inhibiert die Blutgerinnung über die Bindung an aktivierten Faktor X (FXa) und anschließende Wechselwirkung mit dem Komplex aus tissue factor (TF) und aktiviertem Faktor VII (FVIIa). Zusätzlich ist eine Inhibierung der Angiogenese beschrieben, die FXa-unabhängig erfolgt. Eine gesteigerte TFPI-Freisetzung durch Heparine geht demnach mit einer verminderten Gefäßneubildung einher (22). Dies ist für Tinzaparin beschrieben.

Schließlich inhibieren Heparine in Abhängigkeit von der Kettenlänge bekanntermaßen die Thrombinbildung und/oder -aktivität. Thrombin seinerseits katalysiert die Fibrinbildung und induziert zudem wichtige Tumorzell-Signalkaskaden, womit es bei Angiogenese und Metastasierung beteiligt ist. Somit greift die Heparin-vermittelte Inhibition von Thrombin ebenfalls in das Tumorgeschehen ein (23).

Darüber hinaus beeinflussen Heparine direkt das Immunsystem, indem sie die Extravasation von Leukozyten sowie die Komplementaktivierung unterdrücken. So kann ein Teil der antiinflammatorischen Effekte erklärt werden, was sich positiv auf den Verlauf von Krebserkrankungen auswirken kann. Auch über eine Stimulierung der Aktivität natürlicher Killerzellen (NK-Zellen) wird diskutiert, was wiederum den immunologischen Angriff auf die Tumorzellen verstärkt (24).

Einen ganz wesentlichen Aspekt der antimetastatischen Heparin-Wirkung stellt die Blockade von Zelladhäsionsmolekülen dar, die im folgenden Abschnitt umfassend erläutert wird.

All diese Effekte machen Heparine zu multifunktionalen Arzneistoffen, die weit mehr sind als Gerinnungshemmer. Daher ist es nicht verwunderlich, dass verschiedene Forschergruppen an der Modifikation des Heparin-Grundgerüsts arbeiten, um die Balance zwischen antikoagulatorischer und antimetastatischer Aktivität zugunsten Letzterer zu verschieben.

Solche Derivate sind besonders vielversprechend, da sie einen Eingriff in die Metastasierung unter Umgehung der Heparin-typischen Nebenwirkungen erlauben. Im Arbeitskreis um Professor Dr. Gerd Bendas, Bereich Pharmazeutische Chemie an der Universität Bonn, erforschen Apotheker die Mechanismen der Zelladhäsion und die daran beteiligten Adhäsionsmoleküle. Unter anderem konnten sie die Wechselwirkung von Heparin mit verschiedenen Adhäsionsrezeptoren charakterisieren.

Zelladhäsionsmoleküle im Fokus

Zelladhäsionsmoleküle vermitteln vielfältige Wechselwirkungen von Zellen mit Strukturen des Organismus. Sie sind maßgeblich an der Entwicklung und Aufrechterhaltung von Gewebestrukturen sowie der Steuerung von Bewegungen und Wachstum beteiligt. Darüber hinaus sind sie in vielfältige Signalkaskaden involviert.

Die Klasse der Zelladhäsionsmoleküle kann man in die Subfamilien der Selektine, Integrine, Moleküle der Immunglobulin-Superfamilie und Cadherine einteilen. Während Letztere vor allem feste Bindungen in allen soliden Geweben des Körpers vermitteln, können Integrine, je nach Aktivitätsstadium, und besonders Selektine schwache kurzlebige Bindungen ausbilden. Physiologisch vermitteln sie die Interaktion zwischen Leukozyten und Thrombozyten mit dem Endothel. Damit sind sie einerseits an der Immunantwort und der Hämostase, bei Dysregulation dagegen an pathophysiologischen Prozessen beteiligt.

Beispielsweise gelangen Leukozyten bei einer akuten oder chronischen Entzündung über einen fein regulierten Prozess in das betroffene Gewebe. Dieser wird als Adhäsionskaskade bezeichnet, da er in mehreren Schritten abläuft. Eine Schlüsselrolle übernehmen Selektine, die diese Kaskade initiieren. Durch die Vermittlung von losen Bindungen versetzen sie die weißen Blutkörperchen in charakteristische Rollbewegungen entlang des Endothels. Dadurch werden diese so stark abgebremst, dass eine nachfolgende feste, Integrin-vermittelte Haftung am Endothel und Extravasation in das darunter gelegene entzündete Areal möglich werden.

Heute sind drei Vertreter der Selektine bekannt, die nach ihrer zellulären Lokalisation als E (Endothel)-Selektin, L (Leukozyten)-Selektin und P (Plättchen und Endothel)-Selektin bezeichnet werden. Als einzige Gruppe unter den Zelladhäsionsmolekülen treten Selektine mit ihren Liganden über Kohlenhydratstrukturen in Wechselwirkung. Grundsätzlich handelt es sich bei diesen um hydrophile, langgestreckte membranständige Glykoproteine mit einem Zuckeranteil, der 75 Prozent des Liganden ausmachen kann. Derartige Strukturen finden sich auf Leukozyten, Thrombozyten und dem Endothel, sind aber nicht strikt darauf begrenzt. Tumorzellen verändern im Zuge ihrer malignen Transformation ihr Glykosylierungsmuster an der Zelloberfläche so weit, dass auch sie Selektinliganden ausbilden. Damit können sie die physiologischen Mechanismen für ihre eigene Adhäsion an bestimmte Strukturen des Organismus nutzen.

Dies zeigt, dass Selektine bei der Metastasierung eine wichtige Rolle spielen. Sie vermitteln vielfältige Wechselwirkungen der Krebszellen mit allen Selektin-tragenden Komponenten. Beispielsweise ummanteln sich Tumorzellen mit Thrombozyten über die Bindung von P-Selektin. Dies schützt die Tumorzellen, zum einen vor hohen Scherkräften während der Zirkulationsphase, zum anderen vor der Aktivität der NK-Zellen. Zusätzlich werden sie von den Thrombozyten mit Wachstumsfaktoren versorgt. Außerdem entstehen Mikroemboli, was die Wanderung der malignen Zellen im mikrovaskulären System stoppt. Thrombozytäres P-Selektin fördert somit die Metastasierung und ist besonders in der frühen Phase nach Intravasation beteiligt. Darüber hinaus wird P-Selektin auf dem Endothel exprimiert und kann die Adhäsion der Tumorzellen an der Gefäßwand vermitteln.

Eine direkte Haftung der Zellen am Endothel ist auch über E-Selektin möglich, wobei dieser Bindungsweg erst später in der metastatischen Kaskade vermutet wird. L-Selektin trägt zur Bindung von Leukozyten an Tumorzell-Thrombozyt-Mikroemboli sowie mit dem Endothel bei. Somit ist es besonders an der Extravasation der Tumorzellen beteiligt, da es die Überwindung der endothelialen Barriere fördert.

Heparine blockieren Selektine

Bereits in den 1990er-Jahren wurde entdeckt, dass Heparine die Bindung von P- und L-Selektin, nicht dagegen von E-Selektin zu ihren Liganden aufheben (25). Über diesen Weg sind nicht nur potenziell antiinflammatorische, sondern auch antimetastatische Aktivitäten erklärbar. Die P- und L-Selektin-Blockade durch Heparin konnte bislang in vielen Tiermodellen belegt werden. In vitro wurde auch die P-Selektin-abhängige Inhibierung der Tumorzell-Thrombozyt-Wechselwirkung durch verschiedene Heparine aufgeklärt (26).

Neben Selektinen sind Integrine und deren Liganden aus der Immunglobulin-Superfamilie an Interaktionen zwischen Tumorzellen und dem Endothel beteiligt. In unserer Arbeitsgruppe liegt der Fokus auf der Wechselwirkung zwischen dem Integrin VLA-4 (very late activation antigen-4, α4β1) und dem Immunglobulin VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule-1). VLA-4 wird nicht nur von Leukozyten, sondern auch von Osteosarkom-, Rhabdomyosarkom- sowie vielen Melanom-Zell­linien exprimiert. Sein endothelialer Ligand ist VCAM-1; dieses Molekül wird durch proinflammatorische Stimuli verstärkt exprimiert. Der VLA-4/VCAM-1-Bindungsweg vermittelt die Adhäsion VLA-4-positiver Tumorzellen an das Gefäßendothel und wird mit einer Metastasierung in Verbindung gebracht.

In der Literatur sind einige Wechselwirkungen von Heparinen mit Integrinen beschrieben, die hauptsächlich leukozytären Ursprungs sind (27-29). In eigenen Forschungsarbeiten wurde überprüft, ob Heparin auch in die Adhäsion VLA-4-positiver Melanomzellen eingreifen kann. Interessanterweise erweisen sich UFH und Enoxaparin als potente Inhibitoren dieses Bindungswegs. Dabei zeigte sich, dass Heparine mit dem tumorzellständigen Integrin VLA-4 wechselwirken, nicht aber mit VCAM-1 (26).

Auf molekularer Ebene lässt sich zusammenfassen: Heparine greifen durch Blockade von P- und L-Selektin sowie von VLA-4-Integrin zu unterschiedlichen Zeitpunkten in die Adhäsion und damit die Metastasierung von Krebszellen ein.

NMH ist nicht gleich NMH

Haben sich im Verlauf einer Krebserkrankung Tochtergeschwülste etabliert, sind die Chancen auf Heilung nach wie vor gering. Damit stellt die Metastasierung das Hauptproblem maligner Tumore dar. Eine Option, diesen Prozess aufzuhalten, bieten die Heparine. Über vielfältige Wirkmechanismen blockieren die Naturstoffe kritische Metastasierungsschritte, was die Lebenszeit der Patienten verlängern kann.

Fondaparinux zeigte in tierexperimentellen Untersuchungen keine vergleichbaren Effekte. Dies verdeutlicht wiederum, dass die antimetastatische Wirkung der Heparine nicht mit der Hemmung der Blutgerinnung korreliert. Die klinischen Überlebensstudien für den Einsatz von Vitamin-K-Antagonisten bei Krebspatienten liefern zum Teil kontroverse Ergebnisse. Die VKA scheinen jedoch hinsichtlich Effektivität und Sicherheit den Heparinen unterlegen. Für die neuartigen Antikoagulanzien Rivaroxaban und Dabigatranexetilat sind derzeit keine Aussagen über ihren Einfluss auf das Überleben von Krebspatienten möglich. Demzufolge erscheinen aus aktueller Sicht Heparine als besonders günstig.

Bis heute existiert keine allgemeingültige Richtlinie, welches Heparin über welchen Zeitraum und in welcher Dosierung bei Krebspatienten eingesetzt werden soll.

NMH sind hinsichtlich Effektivität und Sicherheit derzeit als besonders geeignet zur Thromboseprophylaxe und -therapie, auch in der Langzeitanwendung einzuschätzen. Gegenüber UFH haben sie ein günstigeres Nebenwirkungsprofil; zum Beispiel treten weniger Heparin-induzierte Thrombozytopenien (HIT) oder Osteoporose auf. Engmaschige Laborkontrollen zum Monitoring sind nicht erforderlich. Aufgrund der höheren Bioverfügbarkeit sind weniger Einzelinjektionen pro Tag nötig. Darüber hinaus senken NMH die Mortalität von Krebspatienten mit und ohne VTE.

Jedoch unterscheiden sich die einzelnen NMH hinsichtlich molekularer antimetastatischer Wirkungen voneinander. Die Hemmung der bFGF- und VEGF-vermittelten Angiogenese wird vor allem für kleinere Heparinmoleküle diskutiert, während eine Selektinblockade besonders gut durch Tinzaparin gelingt, das einen höheren Anteil längerkettiger Fraktionen aufweist. Welches NMH-Präparat zu bevorzugen ist und welche Patienten am meisten von einer Heparin-Gabe profitieren, ist bislang nicht klar. Diese Fragen müssen in weiteren klinischen Studien geklärt werden.

Ebenso spannend erscheint der Einsatz von Heparin-Derivaten, die unterschiedliche Wirkprofile hinsichtlich Antikoagula­tion und antimetastatischen Eigenschaften aufweisen. Es gibt vielversprechende experimentelle Daten zu derartigen Substanzen, eine klinische Anwendung am Menschen steht jedoch bislang aus. Auch wenn noch viele Fragen offen sind, wird bereits deutlich, welches Potenzial Heparine in der begleitenden Therapie onkologischer Erkrankungen haben.

BFGF: basic fibroblast growth factor; basischer Fibroblasten-Wachstumsfaktor

EZM: extrazelluläre Matrix; Gesamtheit aller Makromoleküle im Interzellularraum

NMH: niedermolekulares Heparin, durchschnittliches Molekulargewicht 3 bis 6 kD

TFPI: tissue factor pathway inhibitor; Inhibitor der initialen Schritte der Blutgerinnung, zusätzlich Vermittlung der Angiogenesehemmung

UFH: unfraktioniertes Heparin, durchschnittliches Molekulargewicht 13 bis 15 kD

VCAM-1: vascular cell adhesion molecule-1, vaskuläres Zelladhäsionsmolekül aus der Gruppe der Immunglobulin-Superfamilie, Ligand für VLA-4

VEGF: vascular endothelial growth factor, vaskulärer Endothel-Wachstumsfaktor

VKA: Vitamin-K-Antagonisten

VLA-4: very late activation antigen-4, Integrin α4β1; Zelladhäsionsmolekül; Rezeptor für VCAM-1; Expression auf Leukozyten, auf bestimmten Tumorzellen und

VTE: venöse Thromboembolie, umfasst die Krankheitsbilder tiefe Beinvenenthrombose und Lungenembolie

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Juliane Fritzsche studierte Pharmazie an der Universität Halle-Wittenberg, schloss 2002 ihre Diplomarbeit ab und erhielt 2003 ihre Approbation. Unter Leitung von Professor Dr. Gerd Bendas fertigte sie ihre Dissertation am Pharmazeutischen Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn an. Hierbei beschäftigte sie sich intensiv mit der Funktion von Adhäsionsmolekülen bei der hämatogenen Metastasierung von Tumorzellen und deren Inhibition durch Heparine. Im Oktober 2008 wurde sie promoviert und arbeitet seitdem als wissenschaftliche Mitarbeiterin im Arbeitskreis von Professor Bendas.

Gerd Bendas studierte Pharmazie an der Martin-Luther-Universität Halle, schloss als Diplompharmazeut ab und erhielt 1991 die Approbation als Apotheker. Nach der Promotion 1994 war er als wissenschaftlicher Assistent am Institut für Pharmazeutische Chemie am Fachbereich Pharmazie der Universität Halle tätig. 2000 verteidigte er seine Habilitationsarbeit für das Fachgebiet Pharmazeutische Chemie und wurde zum Privatdozenten ernannt. Seit März 2003 ist Professor Bendas als C3-Professor für Pharmazeutische Chemie in Bonn tätig. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen die Untersuchung und In-vitro-Simulation von Zelladhäsionsprozessen bei der Tumorzellmetastasierung und bei Entzündungen, das vaskuläre Endothel als Ansatzpunkt für Targeting-Strategien, Biosensoren zur Charakterisierung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen und die molekularen Mechanismen von Antibiotika an Modellmembranen.

Dr. Juliane Fritzsche

Professor Dr. Gerd Bendas

Pharmazeutisches Institut, Pharmazeutische Chemie II

An der Immenburg 4

53121 Bonn

juliane.fritzsche(at)gmx.net; gbendas(at)uni-bonn.de

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