02.01.2020

Paper of the Month 12/2019

Kaspar-Josche Streitberger

How tissue fluidity influences brain tumor progression.

Streitberger KJ, Lilaj L, Schrank F, Braun J, Hoffmann KT, Reiss-Zimmermann M, Käs JA, Sack I. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Dec 16. pii: 201913511. doi: 10.1073/pnas.1913511116. [Epub ahead of print]
PMID: 31843897

PubMed


Tumoren im Gehirn sind vor allem dann gefährlich, wenn sie infiltrativ wachsen, das heißt, wenn sie sich ohne erkennbare Grenzen in ein gesundes Gewebe hinein ausbreiten. Im Gegensatz zu abgekapselten Tumoren sind Glioblastome nur schwer behandelbar. Wie aber kann es sein, dass derart weiche Tumoren, eingebettet in härteres Hirngewebe überhaupt wachsen können? Nach den Gesetzmäßigkeiten der Physik weicher Festkörper scheint das zunächst nicht möglich.

In unserer aktuellen Studie haben wir 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, sind wir einen Perspektivwechsel eingegangen: Betrachten wir Gehirngewebe nicht mehr als bloßen Festkörper, sondern als hochviskose, also sehr zähe Flüssigkeit werden die physikalischen Mechanismen verständlich. Wie sich Tumoren in Hirngewebe ausbreiten, klar abgegrenzt oder infiltrativ, bestimmt wiederum deren Zähigkeit, die Viskosität. Ist sie gering, wie etwa in einer gelartigen Substanz oder Wasser, ergeben sich instabile Grenzflächen. Der niedervisköse Tumor sickert förmlich in das umschließende Gewebe ein. Breitet sich der Tumor allerdings mit hoher Viskosität aus, ist also deutlich zäher, dann erge-ben sich glatte, fest umrissene Grenzflächen. Dieses Prinzip der viskosen Grenzflächen ist in der Physik unter „Saffman-Taylor-Instabilitäten“ bereits bekannt und beschreibt, wie sich Grenzen zwischen Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität vermischen können.

Hochauflösende Gehirn-Elastografie, eine an der Charité entwickelte bildgebende MRT-Methode, ermöglichte es uns, diese neuen Erkenntnisse auf Gehirntumore anzuwenden. Mittels Elastografie konnten wir nachweisen, dass invasiv wachsende Glioblastome eine deutlich geringere Viskosität aufweisen als umgebendes Hirngewebe, im Gegensatz zu abgekapselten Meningeomen. Die geringe Viskosität der Gliobastome erfordert zwingend nach den Gesetzen der Materialwissenschaft, dass die ausbreitenden Tumore mit instabilen Grenzflächen in umgebendes Gewebe hinein-„fingern“ (dieses Phänomen an flüssigen Grenzflächen wird „viscous fingering“ genannt).

Das zeigt, dass vor allem die Fließeigenschaften, Aufschlüsse über sein Infiltrationspotential 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 Gehirn-Elastografie bestimmen.


Dr. med. Kaspar-Josche Streitberger ist Neurologe am Institut für Neurologie der Charité und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Klinik für Neurologie am Standort Virchow Klinikum. Er promovierte auf dem Gebiet der Gehirn-Elastografie.

Ledia Lilaj, M.Sc. ist Biophysikerin und promoviert derzeit innerhalb des Graduiertenkollegs GRK2260 BIOQIC (Biophysical Quantitative Imaging towards Clinical diagnosis). Ihr Forschungsgebiet ist die Elastografie in porösen Medien, wie biologischen Weichgeweben. Prof.

Dr. rer. nat. Ingolf Sack ist W3-Professor für Quantitative MRT und Elastografie am Institut für Radiologie der Charité. Er leitet das Graduiertenkolleg BIOQIC, welches sich mit quantitativen Methoden in den Bildgebungswissenschaften beschäftigt.  


Die Veröffentlichung des Monats wird jeden Monat von den Direktoren des CSB, aus den Veröffentlichungen des CSB und der Klinik für Neurologie ausgewählt.

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