Wussten Sie, dass Krebs sich evolutionär verändert? Lässt sich das verhindern?

Die Ausbreitung und Entwicklung von Krebs sowie die damit verbundenen Schäden zu verhindern und Behandlungen und Heilungsmöglichkeiten zu finden, gehört zu den grundlegenden Zielen der onkologischen Abteilungen. Krebs aus evolutionärer Perspektive zu betrachten, kann manche Geheimnisse lüften. Um darüber zu sprechen, benötigen wir zunächst einige Grundlagen.

Über Krebs – Was ist Krebs?

Krebs kann als eine durch die natürlichen Prinzipien des Lebens entstehende Nebenwirkung der Funktionsweise evolutionärer Mechanismen bezeichnet werden. Aufgrund angesammelter DNA-Schäden (bei manchen Krebsarten durch virale Faktoren) zeigen Zellen unkontrolliertes Wachstum und können auch in gesunden Bereichen des Körpers Metastasen bilden (sich ausbreiten). Die Gruppe von Erkrankungen mit diesen beobachteten Eigenschaften wird als Krebs bezeichnet.

Häufig sind ungeplante Veränderungen im genetischen Code der Grund für diese unkontrollierte Teilung. Mutationen heißen diese Veränderungen, die auf unterschiedlichen Wegen entstehen können: Manchmal verändern UV-Strahlen die DNA-Struktur, und die Reparatursysteme können diesen Schaden nicht vollständig beheben. Manchmal wird DNA fehlerhaft kopiert, und die Behebung dieses Fehlers wird während der Replikation versäumt. Manchmal beeinflusst die Menge giftiger Stoffe in der Umgebung die Topologie der Zelle und behindert die korrekte Funktion der Teilungssysteme. Topologie ist ein Teilgebiet der Geometrie/Mathematik, das Eigenschaften von Oberflächen und allgemeinen Formen untersucht, sich aber nicht mit Längen und Winkeln befasst. In solchen Fällen greifen das DNA-Reparatursystem, Apoptose (programmierter Zelltod) oder das Immunsystem ein. Entsteht Krebs, liegt eine Schwäche dieser Kontrollmechanismen vor. Beispielsweise kann ein schwaches Immunsystem Zellen mit Mutationen weniger wirksam bekämpfen als ein starkes. Oder manche Menschen besitzen spezialisierte Immunzellen, die Krebszellen besser erkennen können (solche spezialisierten Immunzellen wurden beispielsweise bei Menschen über 100 Jahren beschrieben; siehe die entsprechende Entdeckung).

Erläuterung der Abbildung: Oben sind Situationen dargestellt, die DNA-Schäden verursachen, und unten die häufigsten Mechanismen zur Reparatur dieser Schäden.

Krebs ist ein Phänomen, das im geringsten Fall die Lebensqualität mindert und im schwersten Fall das Leben beendet.

Dass Krebs in zahlreichen Zelltypen entstehen kann, ist sein wichtigster anfänglicher Vorteil. Der grundlegende Grund scheint darin zu liegen, dass die Reparatur der verschiedenen Systeme schwieriger wird, die sich mit der zunehmenden Komplexität der Zelle im Laufe der Evolution bilden; die Reparaturelemente wurden noch nicht optimiert, oder der Zelle fehlen die für ihre Optimierung erforderlichen Systeme. Deshalb entwickelt sich Krebs mit den komplexer werdenden Lebewesen weiter und gelangt mit ihnen in die Zukunft. Solange Evolution besteht, sich also Stoffe im Laufe der Zeit von einer Form in eine andere verwandeln, wird es auch organische Strukturen geben, die unserer Definition von „Krebs“ entsprechen. Die jüngsten Arbeiten der Menschheit haben jedoch Hoffnung geweckt und zu den Bemühungen beigetragen, viele der uns bekannten Krebsarten zu verhindern.

Es gibt 4 grundlegende Krebsarten

1. Das in Drüsen- und Epithelgewebe auftretende und solide Tumoren (feste Tumoren in Organen) bildende Karzinom ist die häufigste Krebsart. Prostata-, Brust-, Lungen- und Dickdarmkrebs gehören dazu.
2. Das auch als Weichteilkrebs bekannte, in Muskeln, Nerven, Fettgewebe, Sehnen, Gefäßen und ähnlichen Strukturen auftretende und weiche Tumoren bildende Sarkom ist eine seltene Krebsart.
3. Leukämie wird auch Blutkrebs genannt. Vereinfacht handelt es sich um die unkontrollierte Bildung abnormer weißer Blutkörperchen im Knochenmark. Diese vermehren sich weiter, anstatt nach einiger Zeit abzusterben. Da dadurch im Blut kaum Platz für rote Blutkörperchen bleibt, wird weniger Sauerstoff transportiert und abgegeben. Meist wird keine Tumorbildung beobachtet.
4. Ein Lymphom entsteht in B-, T- und natürlichen Killer-Lymphozyten, also Arten weißer Blutkörperchen, die an der Erkennung von Krankheitserregern beteiligt sind. Tumorbildung kann beobachtet werden.

Es gibt 2 grundlegende Tumorarten:

1. Gutartige Tumoren (benigne) sind Tumoren, die keine Metastasen bilden, meist von Bindegewebe umgeben sind und sich eine bestimmte Zeit lang teilen. In ihren Eigenschaften ähneln sie normalen Zellen stärker. Aufgrund ihrer kompakten Struktur können sie jedoch Nerven schädigen, den Blutfluss vermindern, indirekt eine durch Ischämie bedingte Gangrän und Organschäden verursachen und Ähnliches. Um gutartige Tumoren wird ein geringes Maß an Angiogenese (Bildung neuer Gefäßverzweigungen) beobachtet; dies spielt eine wichtige Rolle dabei, dass sie nicht schnell wachsen und keine Metastasen bilden können.
2. Bösartige Tumoren (maligne) sind Tumoren, die Metastasen bilden können und sich äußerst unkontrolliert vermehren. Sie können die Funktion eines betroffenen Organs direkt oder indirekt stören. Ein direkter Weg ist die Entstehung des Krebses auf einer Struktur und die Beeinträchtigung ihrer Funktion. Ein indirekter Weg besteht etwa darin, dass bei übermäßiger Angiogenese der Sauerstoff und die Nährstoffe im Blut vorwiegend für das Tumorwachstum verbraucht werden. Zugleich ist die Fähigkeit zur Metastasenbildung durch die hohe Angiogeneserate erheblich gesteigert. Tumoren mit einer Tendenz zur Bösartigkeit werden prämaligne Tumoren genannt. Sie müssen engmaschig überwacht werden, da sie sich andernfalls in maligne Tumoren verwandeln können.

Nicht jeder Krebs bildet einen Tumor, und nicht jeder Tumor wird als Krebs diagnostiziert. Die meisten gutartigen Tumoren verschwinden von selbst oder bleiben bei Ihnen, wie bestimmte Hautanhängsel an Ihrem Körper (siehe den Unterschied zwischen Muttermalen und Hautanhängseln). Für eine krebsartige Veränderung von Hautanhängseln gelten bestimmte Kriterien; manche können auf Krebs hinweisen.

Was ist Evolution?

Bevor wir über die Evolution von Krebs sprechen, muss auch eine Definition von Evolution gegeben werden. Obwohl Evolution häufig anhand ihrer biologischen Seite erklärt wird, sollte sie eigentlich als Gesetz des Funktionsmechanismus unseres Universums dargestellt werden. Evolution bedeutet, dass sich kleine Veränderungen im Laufe der Zeit ansammeln und zu großen Unterschieden werden. Etwas Ursprüngliches wird durch kleine Veränderungen schließlich zu etwas Neuem. Dies gilt nicht nur für Lebewesen, sondern für alles in unserer Welt. Betrachten wir es so:

Dieses Phänomen lässt sich überall, jederzeit und in jedem Bereich beobachten. Langfristige Entwicklungen wie menschliche Persönlichkeiten, der Austausch zwischen Kulturen, Kontinentalbewegungen, Veränderungen und Weiterentwicklungen von Musikinstrumenten und Kriegsgeräten sowie die stetige Zunahme von Behandlungsmethoden sind Beispiele. Ebenso Veränderungen, die im Vergleich dazu kürzer dauern: unterschiedliche Beziehungen von Eltern zu ihren Kindern oder Enkeln, veränderte Musikwahrnehmung und die Tatsache, dass heutige Wassermelonen mehr Fruchtfleisch haben als jene vor hundert Jahren. Sie gehören zu den anschaulichsten Beispielen für Evolution.

Evolution ist, wie oben beschrieben, ein allgemeiner Begriff. Ihre drei grundlegenden Zweige sind die chemische Evolution, die die Entwicklung von Molekülen und die Entstehung neuer Stoffe untersucht, die physikalische Evolution, die die seit dem Urknall allmählich entstandene Ordnung der Naturgesetze und damit indirekt auch chemische, kosmische und biologische Phänomene untersucht, sowie die biologische Evolution, die sich mit dem Leben und der Komplexität der Lebewesen befasst. Diese drei grundlegenden Zweige haben unzähligen Wissenschaftsgebieten den Weg bereitet.

Die Begriffe Makro- und Mikroevolution teilen Evolution anhand der Zeit, die zum Erreichen einer neuen Stufe benötigt wird, in zwei Gruppen ein. Makroevolution beschreibt die Ansammlung von Veränderungen über einen langen Zeitraum, während Mikroevolution die Vorgänge in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum bezeichnet. Die Beispiele im zweiten Absatz dieses Abschnitts wurden so angeordnet, dass sie der Reihe nach Makro- und Mikroevolution entsprechen.

Was ist der Unterschied zwischen Theorie, Gesetz und Phänomen?

Nachdem wir den Begriff Evolution „kurz“ erklärt haben, betrachten wir zur Erklärung des Unterschieds zwischen Evolution und Evolutionstheorie - wiederum „kurz“ - den Unterschied zwischen Theorie, Gesetz und Phänomen:

Dass Menschen bei der Weitergabe von Wissen mitunter selektiv vorgehen, hat dazu geführt, dass im Laufe der Zeit wichtige Punkte vergessen wurden. Die Definitionen von Theorie und Gesetz haben durch Konflikte zwischen Lehrplänen über Jahre Schaden genommen. Diese beiden wissenschaftlichen Begriffe sind Werkzeuge, die nicht ineinander umgewandelt werden können und völlig unterschiedliche Aufgaben haben. Beide beruhen auf wissenschaftlichen Methoden und werden aus kleinen Bausteinen zu größeren Einheiten zusammengesetzt. Beide benötigen Experimente und eindeutige Belege. Auch wenn sie sich darin ähneln, unterscheiden sie sich im folgenden Punkt:

• Eine Theorie wird zur Erklärung eines Phänomens verwendet. Theorien gehen aus Hypothesen hervor, die auf einer Beobachtung beruhen. Um ein Phänomen vollständig zu erklären, benötigen sie eine beträchtliche Menge an Belegen. Diese Phänomene werden fortlaufend erforscht; zahlreiche Wissenschaftsgebiete tragen dazu bei, die Erklärung einer Theorie immer genauer und annehmbarer zu machen. Wirtschaftstheorie, Informationstheorie, Evolutionstheorie, Relativitätstheorie, Urknalltheorie und Zelltheorie sind einige Beispiele.
• Ein Gesetz wird zur Beschreibung eines Phänomens verwendet. Auch Gesetze entstehen aus Hypothesen, die aus Beobachtungen hervorgehen. Ihre Formulierung richtet sich danach, ob weltweit durchgeführte Experimente zu den beschriebenen Phänomenen dieselben Ergebnisse liefern und ob sie eine wissenschaftliche Grundlage bilden können. Theorien übernehmen wiederum die Erklärung der Gesetze; Gesetze beschreiben, was die in Theorien verwendeten Phänomene sind. Diese Dualität ist für den wissenschaftlichen Fortschritt sehr wichtig. Beispiele sind die Verwendung des Gravitationsgesetzes in der Relativitätstheorie, des Ohmschen Gesetzes in der Schaltungstheorie und des Massenerhaltungsgesetzes in der kinetischen Theorie.
• Phänomene sind dagegen beobachtbare Dinge, die erforscht werden. Daraus entstehen Hypothesen, auf deren Grundlage nach langen, aufwendigen Arbeiten ein Gesetz oder eine Theorie formuliert wird. Obwohl ein Phänomen auf Annahmen beruht, ist es selbst keine Annahme. Der wissenschaftlich anerkannte Begriff des Phänomens basiert auf dem ontologischen Materialismus: Auch wenn ein Phänomen übernatürlich oder außerhalb der Natur erscheint, lässt es sich grundsätzlich durch die Mechanismen des Universums erklären und auf seinen Ursprung zurückführen. Diese Sichtweise wird von Wissenschaftlern akzeptiert und genutzt, weil sie mit den Mechanismen übereinstimmt, mit denen sich die Wissenschaft befasst und die sie untersucht.

Damit lässt sich der Unterschied zwischen Evolution und Evolutionstheorie nun klar erkennen: Während Evolution ein Phänomen ist, dient die Evolutionstheorie als Werkzeug, um dieses Phänomen zu erklären und einzuordnen sowie Grundlagen für seine Erforschung zu schaffen.

Betrachten wir nun die onkologische Interpretation der Evolution und der die biologische Evolution erklärenden, im Lehrplan behandelten Evolutionstheorie.

Die Evolution von Krebs: Evolutionsbiologie und adaptive Therapie

Erläuterung der Abbildung: Bei ihrer Teilung erwerben Zellen Mutationen, die abnormes Wachstum ermöglichen und Tumoren entstehen lassen können. Tumoren und ihre Metastasen können aus unterschiedlichen Zellgruppen bestehen. Metastatische Tumoren können also einen deutlich anderen Phänotyp (Erscheinungsbild) und Genotyp (genetische Ausstattung) als die ursprüngliche Krebszelle haben.

Krebszellen können überall in unserem Körper entstehen. Deshalb lässt sich Krebs in vielen unterschiedlichen Zelltypen beobachten. Um seine Evolution zu verstehen, betrachten wir zunächst, wie Krebs im Körper entsteht.

Krebs kann in unseren Keimzellen entstehen und als erbliches Merkmal an nachfolgende Generationen weitergegeben werden, etwa bei erblichem Brust- oder Eierstockkrebs. Er kann aber auch in somatischen Körperzellen entstehen und auf unseren Körper beschränkt bleiben (siehe die Begriffe familiär, erblich und sporadisch bei Krebs). In beiden Fällen gelten bestimmte Voraussetzungen für die Entstehung von Krebs. Viele davon sind evolutionäre Selektionsdrücke.

Evolutionäre Selektionsdrücke sind kurz gesagt Faktoren, die bewirken, dass sich ein Lebewesen in positiver oder negativer Richtung verändert.

Betrachten wir dazu ein ökologisches Beispiel aus onkologischer Perspektive:

Das grundlegende Ziel von Lebewesen besteht darin, bis zur Fortpflanzung zu überleben. Viele Risiken bringen die Möglichkeit mit sich, sich nicht paaren zu können. Konkurrenz, Hunger, Durst, Umweltfaktoren, erbliche Eigenschaften wie die Fähigkeit zur Genexpression sowie Intelligenz und effiziente Jagdmethoden spielen eine wichtige Rolle für den Fortbestand der Abstammungslinie. Mit diesen Selektionsdrücken zurechtzukommen, sich der durch diese Faktoren gebildeten natürlichen Umgebung anzupassen, Fortpflanzungsphasen erfolgreich zu überstehen und dabei Schäden zu minimieren, wird als Anpassungserfolg des Lebewesens (Fitness) bezeichnet. Verschieben sich im Laufe der Evolution die Selektionsdrücke auf erfolgreiche Lebewesen in eine bestimmte Lebensphase, tendiert auch ihre aktivste und energiereichste Phase zu diesem Zeitraum. Tatsächlich ist dies ein chaotischer Prozess, und solche Belastungen überstehen nur diejenigen, die auf kommende Belastungen vorbereitet sind.

Wildmäuse leben ungefähr 1 Jahr, Labormäuse dagegen zwischen 2 und 3 Jahren. Bei Labormäusen wird Krebs häufiger beobachtet als bei ihren Verwandten in freier Natur. Ein wichtiger Grund dafür ist ihr höheres Alter. Unsere Zellen verlieren im Alter ihre Funktionen. Bedenken Sie jedoch, dass in unserem Körper täglich etwa 230 Milliarden neue Zellen entstehen: Gemeint ist hier nicht der Zelltod, sondern der allmähliche Funktionsverlust neu gebildeter Zellen. Dieser Funktionsverlust ist aus den oben genannten Gründen in gewisser Hinsicht sehr wichtig, um die „Jugend“ eines Lebewesens - seine Phase höchster Energie und optimalen Fortpflanzungspotenzials - in den Zeitraum zu verlagern, in den sich die Selektionsdrücke verschieben. Solche Veränderungen der Energieverteilung über die Lebensspanne hängen direkt mit dem Anpassungserfolg zusammen.

- Verwandtes Thema: Warum tritt Krebs überwiegend im Alter auf? Behandlungsansätze im höheren Lebensalter

Man kann sagen, dass Wildmäuse ihr hohes Alter ohnehin kaum erreichen. Ihre Körperzellen sind deshalb noch vergleichsweise „jung“, und die Zellgruppen befinden sich in ihrem leistungsfähigsten und relativ funktionsfähigsten Zustand. Der hohe Anpassungserfolg dieser Zellgruppen deutet darauf hin, dass Systeme zur Verhinderung oder Unterbrechung der Krebsentstehung besonders aktiv arbeiten.

Übertragen wir dies nun auf die Ebene der Zellen:

Ein Grund dafür, dass Zellen krebsartig werden, sind Schwankungen des Anpassungserfolgs der Zellgruppen in unseren Geweben. Karzinogene, also krebserregende Stoffe wie Asbest, Cadmium, Nickel oder Vinylchlorid, können die normale Funktion mancher Zellgruppen bei Lebewesen stören, deren Immunsystem im Verhältnis zum Alter nicht gut arbeitet und deren Anpassungsfähigkeit somit eingeschränkt ist. Zugleich können sie DNA-Schäden in diesen Zellen verursachen. Abhängig davon, inwieweit die Zelle angesichts ihres Alters Schäden reparieren kann, können ihre Mechanismen gestört werden und sie kann krebsartig werden. Darüber hinaus können Karzinogene unter bestimmten Umständen auch Zellgruppen mit hohem Anpassungserfolg krebsartig werden lassen. Dies hängt auch damit zusammen, wie häufig und in welcher Konzentration diese Karzinogene in den Körper gelangen (siehe wann ein krebserregender Stoff Krebs verursacht).

Neben Zellen, die durch evolutionäre Selektionsdrücke krebsartig werden, gibt es auch Krebszellen, die aus einer Krebsstammzelle (CSC) entstehen. Jede Zelle unseres Körpers beginnt ihr Leben an ihrem Ursprungsort, wo sie erstmals entsteht, als Stammzelle. Stammzellen sind Zellen, denen noch keine spezifischen Funktionen zugewiesen wurden.

Natürliche Stammzellen werden in adulte und embryonale Stammzellen unterteilt. Grundsätzlich können sich beide in viele Zelltypen verwandeln. Embryonale Stammzellen können jedoch jede Zelle unseres Körpers bilden; ihre Hauptaufgabe besteht im Aufbau des Embryos. Adulte Stammzellen, etwa Stammzellen für rote Blutkörperchen im Knochenmark und neurale Stammzellen, aus denen unter anderem Neuronen entstehen, haben ein geringeres Potenzial. Sie können sich nicht in jede Körperzelle verwandeln, sondern sind einem Organ oder System zugeordnet; ihre Hauptaufgabe ist die Gewebereparatur.

Betrachten wir adulte Stammzellen: Sie leben länger als alle somatischen Körperzellen und Fortpflanzungszellen und werden im jeweiligen Organ in bestimmter Anzahl vorgehalten. Da sich unser Körper so entwickelt hat, dass er nur bei Bedarf neue adulte Stammzellen bildet, können sich in den bereits wartenden Stammzellen Mutationen ansammeln. Haben sie genügend bestimmte onkogene Mutationen angesammelt, können sie an ihrem Einsatzort Tumoren bilden. Ermöglichen diese Mutationen eine Metastasierung, werden sie als metastatische Krebsstammzellen (MCSC) bezeichnet. Dazu wird weiterhin geforscht. Die molekulare Kartierung der Metastasierung und das Verständnis der krebsartigen Eigenschaften von Stammzellen könnten wichtig sein, um Krebs zu besiegen.

Es gibt 3 mit Krebs verbundene Gentypen

Diese sind:

Wie wird uns die Evolutionsbiologie helfen, Krebs zu besiegen?

Auch diese Frage lässt sich mit Selektion beantworten:

Chemotherapie kann Tumoren häufig erfolgreich verkleinern. Unter bestimmten Umständen findet Krebs jedoch einen Weg, erneut aufzutreten (siehe welche Krebsart wie häufig wiederkehrt). Genau dieser „gefundene Weg“ ist der Teil, mit dem sich die Evolutionsbiologie befasst. Natürliche Selektion ist die Grundlage, auf der die Evolutionstheorie stärkere, nach Chemotherapiesitzungen wiederkehrende Krebserkrankungen erklärt. Sie nutzt dabei das Konzept „Überleben des am besten Angepassten“, auch als „Überleben des Besten“ oder „Überleben des Stärksten“ (survival of the fittest) bekannt: Chemotherapie zerstört im behandelten Bereich nicht nur Krebszellen, sondern schädigt, wenn auch in geringerem Maße, gesunde Zellen. Zellen, die dieses „Chemotherapie-Bombardement“ überleben, besitzen daher einen hohen Anpassungserfolg. Erwartungsgemäß sind dies die besonders mutationsanfälligen und veränderungsfähigen Zellen, also Krebszellen. Überlebt auch nur eine einzige Krebszelle, besteht weiterhin die Möglichkeit eines Tumorrezidivs. Bei besonders chemotherapieempfindlichen Krebsarten, vor allem Hoden-, Dickdarm- und Brustkrebs, kann durch Chemotherapie jedoch Heilung, also eine vollständige Behandlung, erzielt werden.

Das Problem der Medikamentenresistenz bei Krebs soll versuchsweise mithilfe adaptiver Therapie (AT) bewältigt werden. Obwohl sie als aufwendigere und unnötige Behandlungsmethode dargestellt wird, ist AT eine Therapieform, die auf einem möglichst geringen Schaden für den Patienten beruht. Dabei wird Krebszellen ihr eigener Bereich zugestanden, in dem sie ihren eigenen Anpassungserfolg erreichen können. Die Energie, die sie für die zur Proliferation, also Vermehrung, benötigten Systeme aufwenden könnten, wird somit für einen stabilen Anpassungserfolg der Zellgruppe verbraucht. Die Phänotypen der Zellen dieser Krebsgruppe werden homogen gehalten. Gemeint sind topologische Eigenschaften, bei Krebs etwa die körperliche Ausprägung jener Genexpression, die Widerstandsfähigkeit verleiht. Diese Homogenität wird genutzt, um die Zahl der Krebszellen zu minimieren, die ein Bombardement dieser Gruppe von Zellen mit ähnlichen Phänotypen überleben.

Diese Methode vermindert Schäden an gesunden Zellen. Sie verhindert außerdem, dass Krebszellen weitere Evolutionsstufen erklimmen und dadurch immer zusätzliche Widerstandsfähigkeit gewinnen. Infolgedessen ist auch die für diese Zellen erforderliche Chemotherapiedosis gering. Da somit auch die auf gesunde Zellen wirkende Dosis niedrig gehalten wird, verringert dies die Energie, die Krebszellen für Systeme wie ihr Proliferationssystem oder ihre Giftpumpen zurückhalten, auf ein Minimum und verhindert im besten Fall ein erneutes Auftreten des Krebses.

Allerdings hat mit der Weiterentwicklung von Immuntherapie und gegen genetische Zielstrukturen gerichteten Krebstherapien das Interesse an adaptiven Chemotherapieansätzen abgenommen.

Fazit

Krebs gehört zu den Krankheiten, die sich am schnellsten evolutionär verändern. Seine Evolution ist so schnell wie die Stärke der auf ihn wirkenden evolutionären Selektionsdrücke. Abgesehen von der Therapie hängt dieser Druck meist von natürlichen Umwelt- und genetischen Faktoren ab. Werden diese Faktoren im Licht der Evolutionstheorie aufgeklärt, entdecken wir Methoden, mit denen sich die Wirksamkeit unserer vorhandenen Therapien steigern lässt, und setzen diese Suche fort.