A three-dimensional imaging pipeline for the detection of vasculogenic mimicry in mouse tumor models

In einem wachsenden Tumor stehen die Zellen vor einem verzweifelten Problem: Sie benötigen eine stetige Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen, um zu überleben, aber sie sind oft zu weit von den natürlichen Blutgefäßen des Körpers entfernt, um diese zu erhalten. Um dies zu lösen, versuchen viele Tumore, ihr eigenes Netzwerk aus Rohren aufzubauen. Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass diese neuen Rohre von den körpereigenen Blutgefäßzellen gebaut werden, ein Prozess, der als Angiogenese bekannt ist. Eine beunruhigende Entdeckung änderte jedoch diese Sichtweise. Forscher fanden heraus, dass in einigen aggressiven Krebsarten die Tumorzellen selbst ihre Form und ihr Verhalten ändern können, um wie Blutgefäßzellen zu agieren. Sie reihen sich an, um hohle Röhren zu bilden, die Blut transportieren, und schaffen so effektiv ein privates Autobahnsystem für den Tumor. Dieses Phänomen wird als vaskuläre Mimikry bezeichnet. Da diese selbstgemachten Gefäße es Tumoren ermöglichen, größer zu wachsen und leichter zu streuen, sind sie mit schlechten Prognosen für die Patienten verknüpft. Es war jedoch unglaublich schwierig, zu bestätigen, dass diese Gefäße tatsächlich existieren und in einem lebenden Tumor funktionieren, was Wissenschaftler unsicher darüber ließ, wie verbreitet sie sind oder wie man sie stoppen kann.

Die bisherige Standardmethode, um nach diesen Gefäßen zu suchen, bestand darin, eine dünne Schicht von Tumorgewebe zu entnehmen und sie mit zwei verschiedenen Farbstoffen zu färben. Ein Farbstoff namens CD31 lässt normale Blutgefäßzellen aufleuchten. Der andere, bekannt als PAS, hebt eine zuckerhaltige Beschichtung hervor, die im Inneren von Blutgefäßen vorkommt. Die Logik war einfach: Wenn eine röhrenartige Struktur die zuckerhaltige Beschichtung besaß, aber keine normalen Blutgefäßzellen aufwies, musste es sich um ein vom Tumor selbst gebautes Gefäß handeln. Diese Methode hat jedoch einen großen Mangel. Der Zuckermarker ist nicht spezifisch für Blutgefäße; er kann auch an andere Teile des Tumors binden und so Fehlalarme auslösen. Zudem kann der Blick auf einen einzelnen flachen Gewebeschnitt nicht beweisen, dass die Röhre tatsächlich Blut transportiert oder dass sie über ihre gesamte Länge hinweg wirklich frei von normalen Zellen ist. Es ist, als versuche man, das Layout einer Stadt anhand eines einzelnen Fotos einer Straße zu verstehen; man könnte die Verbindungen und die wahre Natur der Gebäude übersehen.

Um ein klareres Bild zu erhalten, entwickelte ein Forschungsteam eine neue Methode, um diese Strukturen in drei Dimensionen zu sehen. Anstatt sich auf dünne Schnitte zu verlassen, arbeiteten sie mit ganzen Gewebestücken von Tumoren aus Mäusen. Zuerst injizierten sie den Mäusen einen fluoreszierenden Farbstoff in die Venen. Dieser Farbstoff, der aus Tomaten-Lektin besteht, wirkt wie ein Tracer, der durch jedes offene, funktionierende Blutgefäß fließt und das Innere der Röhren aufhellt. Nachdem der Farbstoff zirkuliert hatte, entfernten die Forscher die Tumore und nutzten einen speziellen chemischen Prozess, um das Gewebe transparent zu machen – ein wenig so, als würde man einen Block aus Glas in ein klares Fenster verwandeln. Dann färbten sie das Gewebe mit einem Marker ein, der normale Blutgefäßzellen hervorhebt. Schließlich verwendeten sie ein leistungsstarkes Mikroskop, das tausende Bilder aus verschiedenen Winkeln aufnimmt, um das gesamte Netzwerk der Gefäße innerhalb des Tumors in 3D zu rekonstruieren.

Als sie diese neue Methode auf verschiedene Modelle von Brust- und Lungenkrebs anwandten, waren die Ergebnisse beeindruckend. Die alte Methode, die zwei Farbstoffe auf flachen Schnitten verwendete, deutete darauf hin, dass viele Gefäße tumorbedingt waren. Die neue 3D-Bildgebung enthüllte jedoch, dass die meisten dieser vermuteten Gefäße tatsächlich kein Blut transportierten. Tatsächlich fanden die Forscher heraus, dass die traditionelle Methode die Anzahl der funktionierenden, tumorbedingten Gefäße um eine große Spanne überschätzte. In einigen Fällen waren weniger als zwei Prozent der Strukturen, die in der alten Methode wie Tumorgefäße aussahnen, tatsächlich in der Lage, Blut zu führen. Die neue Technik zeigte, dass funktionale tumorbedingte Gefäße zwar existieren, aber weitaus seltener sind als bisher angenommen, und dass die alte Methode oft andere zuckerhaltige Strukturen mit Blutgefäßen verwechselte.

Die Studie tat mehr als nur die Zahlen zu korrigieren; sie lieferte den ersten überzeugenden visuellen Beweis dafür, dass diese tumorbedingten Gefäße tatsächlich mit der Blutversorgung des Wirts verbunden werden können und Blut transportieren. In mehreren Modellen beobachteten die Forscher tumorbedingte Röhren, die völlig frei von normalen Blutgefäßzellen waren, sich aber dennoch mit dem fluoreszierenden Tracer füllten, was bewies, dass sie offen und durchlässig waren. Sie beobachteten sogar „Mosaik“-Gefäße, bei denen normale Blutgefäßzellen und Tumorzellen dieselbe Röhre teilten, sowie Übergänge, an denen ein tumorbedingtes Gefäß direkt mit einem normalen Gefäß verbunden war. Um absolut sicher zu sein, dass diese Gefäße von Tumorzellen und nicht von einem anderen Typ von Wirtszelle ausgekleidet waren, verwendeten sie ein spezielles Mausmodell, bei dem alle eigenen Zellen der Maus grün leuchteten. Sie fanden Gefäße, die mit dem roten Tracer gefüllt waren, aber keinen grünen Schimmer um sich herum aufwiesen, was bestätigte, dass die Tumorzellen selbst die einzigen waren, die diese spezifischen Röhren auskleideten.

Diese Arbeit etabliert einen neuen, zuverlässigeren Standard für den Nachweis dieser gefährlichen Gefäße. Indem sie aufzeigten, dass die alte Methode zu Fehlern neigte, haben die Forscher klargestellt, wonach wir suchen müssen, um sie zu finden. Die neue 3D-Pipeline ermöglicht es Wissenschaftlern, die vollständige Struktur der Blutversorgung des Tumors zu sehen und somit zu bestätigen, welche Gefäße echt und funktionell sind. Diese Klarheit ist essenziell für die Entwicklung neuer Medikamente. Wenn Wissenschaftler diese Gefäße nicht präzise identifizieren können, können sie auch keine Behandlungen entwickeln, um sie zu stoppen. Durch die Bereitstellung einer klaren Karte darüber, wie diese Gefäße entstehen und funktionieren, bietet diese Forschung eine solide Grundlage für zukünftige Therapien, die darauf abzielen, die selbstgemachten Lebensadern des Tumors zu kappen.