Glioblastome: Wie Wasser in Honig

Ob sich ein Hirntumor verdrängend, mit eindeutigen Grenzflächen oder durchdringend ausbreitet, wird durch seine Fließeigenschaften bestimmt. Die zugrundeliegenden Mechanismen hat nun ein Forscherteam der Charité – Universitätsmedizin Berlin entschlüsselt.

Tumoren im Gehirn sind vor allem dann gefährlich, wenn sie infiltrativ wachsen. Wie aber kann es sein, dass derart weiche Tumoren, eingebettet in härteres Hirngewebe, überhaupt wachsen können? Warum wachsen sie zudem so schnell und breiten sich so aggressiv aus? Nach den Gesetzmäßigkeiten der Physik weicher Festkörper scheint das zunächst nicht möglich.

Die WissenschaftlerInnen um Prof. Ingolf Sack von der Klinik für Radiologie an der Charité und an der Abteilung für Neuroradiologie des Universitätsklinikums Leipzig haben in der aktuellen Studie die mechanischen Eigenschaften von Neurotumoren und deren Grenzverhalten untersucht. Solide, abgekapselte Tumoren weisen eine höhere mechanische Steifigkeit auf und können sich so im umliegenden Gewebe mit festen Grenzen ausbreiten.

Um das ungewöhnliche Verhalten von Glioblastomen zu beschreiben, die in eine starrere Umgebung als sie selbst vordringen, ist das Forschungsteam einen Perspektivwechsel eingegangen: „Wir betrachten Gehirngewebe nicht mehr als bloßen Festkörper, sondern als hochviskose, also sehr zähe Flüssigkeit. Dann werden die physikalischen Mechanismen verständlich“, sagte Studienleiter Sack.

„Das Gehirn reagiert auf langen Zeitskalen ähnlich wie Honig“, erklärte Prof. Josef A. Käs von der Fakultät für Physik und Geowissenschaften an der Universität Leipzig. „Wie sich Tumoren darin ausbreiten, klar abgegrenzt oder infiltrativ, bestimmt wiederum deren Zähigkeit, die Viskosität. Ist sie gering, wie etwa bei Wasser, ergeben sich instabile Grenzflächen. Der quasi dünnflüssige Tumor sickert förmlich in den umschließenden Honig. Breitet sich der Tumor allerdings mit hoher Viskosität aus, ist also deutlich zäher, beispielsweise wie Tofu, dann ergeben sich glatte, fest umrissene Grenzflächen.“

Dieses Prinzip der viskosen Grenzflächen ist in der Physik bereits bekannt und beschreibt, wie an Grenzen zwischen Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität Instabilitäten auftreten. Anhand von Gewebe-imitierenden Modellen wie Heparin-Gel oder Tofu konnte das Forschungsteam zeigen, wie ihre anomale Fließeigenschaft es weichen Hirntumoren ermöglicht, physisch in umliegendes Gewebe einzudringen.

Hochauflösende Gehirnelastographie, eine bildgebende Methode auf Basis der Magnetresonanztomographie (MRT) – sie ist an der Charité entwickelt worden, um die Konsistenz von Tumoren sichtbar zu machen – ermöglichte es, diese neuen Erkenntnisse auf Gehirntumore anzuwenden.

Invasiv wachsende Glioblastome weisen einen höheren Wassergehalt auf als das umliegende Gewebe, während beispielsweise gutartige Meningeome weniger Wasser enthalten als Hirngewebe. Dabei unterscheiden sich beide Tumorarten nicht hinsichtlich ihrer mechanischen Steifigkeit, beide Tumorarten sind weicher als umliegendes Gewebe. Die Forschenden schließen aus dieser Tatsache, dass vor allem die Fließeigenschaften, also wie dünnflüssig oder wie zähflüssig sich ein Tumor verhält, Aufschlüsse über sein Infiltrationspotenzial und somit seine Aggressivität geben können.

„Für die diagnostische Radiologie ergeben sich damit völlig neue Möglichkeiten zur Abschätzung der Gefährlichkeit von Hirntumoren, denn die Viskosität von Gehirn und Tumoren lässt sich im Rahmen einer Gehirnelastographie ohne Kontrastmittel, Strahlung und invasive Operation bestimmen“, resümierte Sack. Weitere klinische Studien sind notwendig, um künftig eine Klassifizierung von Hirntumoren mittels der noch jungen bildgebenden Technik zu ermöglichen.

Originalpublikation:
Streitberger KJ et al.: How tissue fluidity influences brain tumor progression. PNAS, 16. Dezember 2019