Interview mit dem Gründungsdirektor

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Für lange Jahre hat mich der Prozeß der Krebsentstehung am meisten interessiert.

Später habe ich begonnen, mehr über Möglichkeiten zur Verbesserung der Krebstherapie nachzudenken. Es hat ja bereits seit Anfang des Jahrhunderts Krebsforschung gegeben. Wie bei den Infektionskrankheiten hatte man immer darauf gehofft, so eine Art Stein der Weisen zu finden, einen Mechanismus, nach dem Krebs grundsätzlich und immer auf die gleiche Weise entsteht. Einen solchen Mechanismus hatte man jedoch nicht gefunden. Als ich anfing, herrschte daher eine gewisse Resignation, was sich auch jungen Leuten wie mir mitteilte.

Ich hatte an einem Labor promoviert, das mit seinem Namen dafür stand, die Krebsentstehung nach Einwirkung chemischer Verbindungen vor allem hinsichtlich der Zusammenhänge zwischen Dosis und Wirkung sehr präzise untersucht zu haben. Hunderte von sehr unterschiedlichen Verbindungen (Kanzerogene) stellten sich damals als krebserzeugend heraus. Mir fiel es schwer zu glauben, daß all diese chemisch ganz unterschiedlichen Stoffe normale Zellen immer auf die gleiche Weise in maligne Zellen verwandeln sollten.

Viel mehr jedoch interessierte mich ein damals selten diskutiertes Phänomen, nämlich die Tatsache, daß sehr viele chemische Kanzerogene Krebs ganz prädominant in bestimmten Geweben oder Organen entstehen lassen. Bestimmte kanzerogene Stoffe und bestimmte Tumoren gehören sozusagen in gemeinsame Schubladen: Die eine Substanz erzeugt Gehörgangstumoren, die andere Leberkarzinome. Man bezeichnet dieses Phänomen als Organotropie der kanzerogenen Wirkung.

Ich habe damals gedacht, man sollte sich viel mehr mit dieser Organotropie beschäftigen, weil sie hinsichtlich der Mechanismen der Krebsentstehung ein Element der Spezifität beinhaltet. Beim Prozeß der Krebsentstehung mußte es offensichtlich wichtige Determinanten geben, die nicht nur in der Reaktivität des jeweiligen Kanzerogens selbst lagen, sondern an unterschiedlichen Eigenschaften der betroffenen Zellen. Um dies zu beweisen, würde man eine Substanz benötigen, die nachweislich mit allen Zellen im Organismus in gleicher Weise reagiert. Wenn sich dann die Tumoren noch immer nur aus bestimmten Zelltypen entwickelten, nicht aber im Organismus statistisch verteilt aufträten, dann könnte man sicher sein, daß beim Kontakt mit kanzerogenen Stoffen je nach Zelltyp unterschiedliche Mechanismen in Gang kommen, weil in diesem Modellexperiment der Zelltyp die einzige Variable ist.

Wir haben also noch in Tübingen angefangen, einen Organismus und ein geeignetes Kanzerogen als Modell für diese Analysen zu suchen. Schließlich haben wir eine Substanz ausgewählt den N-Ethyl-N-Nitrosoharnstoff (EtNH), eine der vielen kanzerogenen N-Nitroso-Verbindungen, die schon nach einer einzigen Dosis hochkanzerogen ist und bei der Ratte prädominant maligne Tumoren des zentralen und peripheren Nervensystems hervorruft. Die Reaktionsprodukte von EtNH mit zellulären Makromolekülen, vor allem mit der DNA, haben wir systematisch gemessen. Dies war damals noch sehr aufwendig. Man mußte das Kanzerogen radioaktiv markieren, um die reaktive Gruppe dann am Ort ihrer Bindung wieder auffinden zu können. Eine solche Markierung war schwierig und kostete jedesmal etwa DM 10.000, so daß wir auf Hilfe von außen angewiesen waren. Das Radiochemische Labor der Hoechst AG hat uns immer wieder großzügig unterstützt, auch finanziell. Mit Hilfe der Radiochromatographie haben wir die Reaktionsprodukte mit der DNA gemessen, bis wir wußten, in welchen Geweben welche Produkte in welchen Mengen entstehen, und daß diese Werte stets nahezu gleich waren. Womit unsere erste Voraussetzung gegeben war.

Das Kanzerogen mußte in unserem Modell aber noch eine weitere Eigenschaft besitzen, die es glücklicherweise auch hatte: Eine einzige Dosis (Puls) mußte ausreichen, um eine große Anzahl von Tumoren hervorzurufen. Denn wenn man einen vielstufigen Prozeß wie die Krebsentstehung analysieren will, ist es sehr störend, wenn man eine Mehrfach- oder Dauerexposition gegenüber dem Kanzerogen benötigt, weil dann ja die Anfangsstufe des Prozesses mit jeder Einzeldosis erneut ausgelöst würde mit der Folge, initiale von sekundären Mechanismen nur schlecht unterscheiden zu können.

Eine weitere wichtige Eigenschaft dieses Kanzerogens kam hinzu. Neben der erhofften Organotropie, war die kanzerogene Wirkung auch stark abhängig vom Zeitpunkt des Kanzerogen-Pulses während der Entwicklung des Nervensystems. Die Wahrscheinlichkeit der Tumorentwicklung war somit auch vom Entwicklungsstadium des Zielzellsystems abhängig.

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Ja, um bestimmte Eigenschaften, die unterschiedliche Zelltypen im Organismus je nach ihrem Entwicklungs- und Differenzierungsstadium zum Zeitpunkt der Kanzerogen-Exposition haben und die ihr Risiko bestimmen, in Krebszellen umgewandelt zu werden. Man muß solche Untersuchungen an gut definierten Modellsystemen durchführen, da unter natürlichen, d. h. Umweltbedingungen immer Kanzerogen-Gemische vorliegen, deren Wirkungsmechanismen im einzelnen schwer zu analysieren sind. Auch deshalb ist die Krebsforschung ja ein so schwieriges Terrain.

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Zu dieser Zeit war die zentrale Rolle der DNA bereits deutlich. Die Analyse Kanzerogen-induzierter DNA-Schäden und ihrer möglichen Folgen für die Zellen, z. B. Mutationen in kritischen Genen, begann immer wichtiger zu werden.

Wir wußten aus der Erfahrung mit unserem experimentellen Modellsystem: Es entstehen bei teilungsfähigen Zellen bestimmte, strukturell genau definierte DNA-Schäden, die bei den folgenden DNA-Replikationsrunden mit hoher Wahrscheinlichkeit Mutationen auslösen. Es war klar, daß die Mutationsfrequenz reduziert würde, wenn die DNA-Schäden vor der Replikation repariert werden. Hing die Organotropie der kanzerogenen Wirkung von EtNH mit einer unterschiedlichen DNA-Reparaturkapazität der getroffenen Zellen zusammen? Waren Zellen mit einer besonders geringen Reparaturfähigkeit durch ein hohes Transformationsrisiko gekennzeichnet, d. h. durch eine hohe Wahrscheinlichkeit der Umwandlung in eine Tumorzelle? Wir haben dann verschiedene Zelltypen verglichen hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Schäden aus ihrer DNA zu entfernen.

Heute wissen wir, daß eine Vielzahl zellulärer Proteine an unterschiedlichen DNA-Reparaturprozessen beteiligt sind. Damals kannte noch niemand auch nur ein einziges DNA-Reparaturprotein. Wir haben uns also das Endergebnis der vermuteten DNA-Reparatur angeschaut. Die Reparaturfähigkeit der Zellen wurde daran gemessen, wieviele der initial induzierten DNA-Schäden als Funktion der Zeit aus der DNA verschwanden. Dabei stellten wir schnell fest, daß – im Gegensatz zu anderen DNA-Reaktionsprodukten – eine ganz bestimmte DNA-Veränderung (O6-Alkylguanin) gerade von den Zellen des Nervensystems, aus denen ja die EtNH-induzierten Tumoren entstehen, kaum repariert wird. Die Zellen anderer Gewebe waren reparaturaktiv, wenn auch in unterschiedlichem Maße. O6-Alkylguanin ist eine besonders mutagene DNA-Veränderung. So konnten wir erstmals zeigen, daß durch chemische Kanzerogene induzierte DNA-Schäden von unterschiedlichen Zelltypen mit verschiedener Effizienz repariert werden und daß diese unterschiedliche Fähigkeit zur DNA-Reparatur offenbar wirklich etwas mit dem Transformationsrisiko der Zellen zu tun hat.

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Diese Untersuchungen hatten wir natürlich mit Spannung verfolgt. Von einer ganz anderen Seite her, hatte sich hier ein starker Hinweis auf einen Zusammenhang zwischen der Unfähigkeit von Zellen, bestimmte mutagene DNA-Schäden zu reparieren, und eine spätere Tumorentwicklung ergeben.

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Für den Beginn in Essen hatten wir uns vorgenommen, zunächst einmal DNA-Analytik wesentlich zu verfeinern. Denn wollten wir weiterkommen, so mußten wir vor allem die Nachweisempfindlichkeit für spezifische DNA-Veränderungen wesentlich erhöhen. Quantitative Messungen noch sehr geringer Mengen einer definierten DNA-Veränderung an kleinen Zellproben, Einzelzellen, ja in einzelnen Genen, mußten möglich werden. Heute haben wir neben einer hochempfindlichen DNA-Reparaturanalytik eine molekulare Epidemiologie für spezifische, durch exogene Agenzien verursachte DNA-Schäden beim Menschen. Sie ist von erheblicher Bedeutung für die Krebsrisikoabschätzung sowie für die molekulare Dosimetrie DNA-reaktiver Chemotherapeutika bei Krebspatienten und die prätherapeutische Erfassung einer DNA-Reparatur bedingten Therapieresistenz. Damals erschien es uns ohne Verbesserung der Meßmethoden für spezifische DNA-Veränderungen hoffnungslos, diese Gebiete weiter zu verfolgen.

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Man fing gerade damit an. Aber wir hatten uns zuvor ganz grundsätzlich überlegt, ob man nicht vielleicht Antikörper zur spezifischen Erkennung Kanzerogen-induzierter DNA-Veränderungen einsetzen könnte.

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Ja. Ein Antikörper ist ein Molekül, das molekulare Strukturen fremder Herkunft sehr genau erkennt, d. h. an diese Strukturen bindet. Wir mußten Antikörper gewinnen, die durch Kanzerogene strukturell modifizierte Basen in der DNA erkennen und an sie binden. Das Problem war, daß es sich im Falle unseres Modellkanzerogens um eine extrem kleine Veränderung an der DNA handelte: Lediglich eine zusätzlich angehängte Methyl- oder Ethylgruppe. Aber probiert haben wir es natürlich trotzdem, etwa zu der Zeit, als von Köhler und Milstein die ersten monoklonalen Antikörper hergestellt wurden. Sie fanden im Jahre 1975 heraus, daß man einen B-Lymphozyten, der einen bestimmten Antikörper sezerniert, durch Verschmelzung mit einer Tumorzelle beliebig vermehren kann und die Tochterzellen dann weiter den gleichen monoklonalen Antikörper produzieren. Die klassischen Antiseren sind dagegen viel ungenauer; sie sind Gemische aus vielen unterschiedlichen Antikörpern. Dagegen sind monoklonale Antikörper ultrareine Erkennungswerkzeuge.

Wir haben dann sehr bald mit der Herstellung monoklonaler Antikörper begonnen und konnten sofort einen Glückstreffer landen. Einer unserer ersten Versuche, einen monoklonalen Antikörper zur spezifischen Erkennung eines DNA-Alkylierungsprodukts (O6-Alkylguanin) herzustellen, war ein voller Erfolg. Unser Antikörper hatte tatsächlich die Eigenschaften, die wir uns gewünscht hatten: Extrem hohe Spezifität und Bindungsaffinität zum Antigen. Damit hatten wir uns eine neue analytische Welt eröffnet. Mit Hilfe monoklonaler Antikörper und den von uns entwickelten immunanalytischen Verfahren konnten wir um Größenordnungen empfindlicher messen.

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Veröffentlicht haben wir den ersten Bericht 1980. Erarbeitet hatten wir diese Ergebnisse mit Hilfe vieler tüchtiger Mitarbeiter ab 1976, nachdem wir 1975 begonnen hatten, unsere Essener Labors aufzubauen. 1985 haben wir dann unsere zentrale Laboreinheit Monoklonale Antikörper eingerichtet, weil sich natürlich schnell herausstellte, daß wir immer mehr monoklonale Antikörper gegen verschiedene Kanzerogen-induzierte DNA-Modifikationen herstellen mußten. Inzwischen haben wir viele Hunderte von monoklonalen Antikörpern hergestellt, so daß unser Institut heute weltweit über das größte Arsenal an monoklonalen Antikörpern zur Identifikation Kanzerogen-induzierter DNA-Veränderungen verfügt. Viele wichtige DNA-Reparaturanalysen an Einzelzellen, in letzter Zeit auch auf dem Niveau spezifischer Gene, konnten in der Folge durchgeführt werden. Zahlreiche in- und ausländische Wissenschaftler waren daran beteiligt.

Mit dem Beginn Ihrer Arbeit erhielt das Westdeutsche Tumorzentrum Essen ein starkes Standbein in der Grundlagenforschung. Wie hat sich die Zusammenarbeit zwischen dem IFZ und den klinischen Abteilungen entwickelt?

Zunächst einmal mußten wir uns bemühen, in einem bereits bestehenden Zentrum der klinischen Onkologie eine gute Grundlagenforschung zu etablieren. Ein sogenanntes Comprehensive Cancer Center, wie es die Amerikaner nennen, kann diesen Titel nur führen, wenn es sowohl Kliniken, wie im gleichen Verhältnis auch Grundlagenforschung vorweisen kann. Das gab es in Essen damals nicht. Es war uns klar, daß wir hier mit einer großen Hypothek antraten: Wir waren gehalten, die notwendigen Impulse in der Grundlagenforschung zu geben.

Prof. Dr. Manfred F. Rajewsky

Nein, keineswegs nur wir. Fast gleichzeitig mit mir wurde Professor Heinrich Schulte-Holthausen berufen, zum Leiter eines zweiten neuen Instituts, des Instituts für Molekularbiologie (Tumorforschung). Wir waren im gleichen Gebäude, auf dem gleichen Stockwerk, jedes der beiden Institute hatte einen Korridor zur Verfügung. Wir hatten keinen Hörsaal, keinen Seminarraum und Laborräume, die wir zunächst einmal einrichten mußten.

Einen großen Fortschritt hat das IFZ dann der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung zu verdanken, die es 1981 durch eine großzügige Spende ermöglichte, einen Seminar- und Kursraum mit Handbibliothek einzurichten. Im Rückblick betrachtet war diese Spende zu diesem Zeitpunkt für unsere Entwicklung entscheidend: Ohne diese Einrichtungen wäre das IFZ nicht zu dem Kommunikationspunkt der Forschung im Universitätsklinikum Essen geworden, der es heute ist. Auch unsere Laborfläche konnten wir mit Unterstützung der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung erweitern.