Wenn gefährliche Krebszellen gemeinsam wandern
Wenn eine Kindergartengruppe wandern geht, ist meist klar verteilt, wer welche Rolle übernimmt: Jemand geht vorneweg, andere bleiben in der Mitte, der Letzte achtet darauf, dass niemand zurückbleibt. Nicht alle tun dasselbe – und gerade deshalb kommt die Gruppe voran. Was bei der Wanderung intuitiv verständlich ist, kann helfen, ein schwer fassbares Phänomen zu beschreiben: die Bewegung von Zellen.
Denn auch Zellen sind nicht immer allein unterwegs. Sie wandern, suchen Wege durch ihre Umgebung, reagieren auf Hindernisse und Signale, haften aneinander oder lösen sich voneinander. In der frühen Entwicklung eines Organismus müssen Zellen an den richtigen Ort gelangen, um Gewebe und Organe zu bilden. Bei der Wundheilung bewegen sie sich dorthin, wo Verletzungen geschlossen werden müssen. Und bei Krebs kann Zellbewegung gefährlich werden: Dann verlassen Tumorzellen ihren ursprünglichen Ort und breiten sich im Körper aus. Dieser Prozess – die Metastasierung – ist eine der größten Herausforderungen der Krebsmedizin.
Warum aber können Krebszellen mehr Schaden anrichten, wenn sie nicht allein, sondern als Gruppe unterwegs sind? Und wie entscheidet sich innerhalb einer solchen Gruppe, wer vorne zieht, wer zusammenhält und wer folgt? Genau hier setzt Angelika Manhart an. Die Mathematikerin und Molekularbiologin an der Universität Wien arbeitet an der Schnittstelle von Mathematik, Computerwissenschaften und Biologie. In ihrem vom FWF geförderten ASTRA-Projekt untersucht sie, wie heterogene Zellgruppen – also Gruppen aus Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften – sich organisieren und durch ihre Umgebung bewegen.
Zellkoordination entschlüsseln
Mithilfe von Mathematik und Computersimulation untersucht die FWF-ASTRA-Preisträgerin Angelika Manhart, wie Zellen miteinander kommunizieren und ihr Verhalten aufeinander abstimmen. Sie will besser verstehen, warum die Bewegung im Team Krebszellen bei der Metastasierung einen entscheidenden Vorteil verschaffen kann.
Zwischen Billardball und Mensch
„Zellen sind einerseits viel komplizierter als einfache mechanische Objekte aus der Physik, also zum Beispiel Billardbälle“, sagt Manhart. „Andererseits sind sie nicht so komplex wie Menschen, die sich anders bewegen und miteinander interagieren. Zellen liegen dazwischen und sind doch auch wahnsinnig kompliziert.“ Diese Zwischenposition macht Zellbewegung schwer zu beschreiben. Einerseits spielen physikalische Faktoren eine Rolle: Kräfte, Reibung, Haftung, die Form der Umgebung. Andererseits sind Zellen lebende Systeme. Sie nehmen Signale wahr, verändern ihr Verhalten und kommunizieren mit anderen Zellen. Manhart versucht, diese Prozesse mit mathematischen Modellen zu fassen.
„Zellen sind doch auch wahnsinnig kompliziert.“
Warum manche Fragen Gleichungen brauchen
Die Wissenschaftlerin kam früh zu diesem Grenzbereich. Ihre Eltern sind beide Mathematiker, naturwissenschaftliche Fragen interessierten sie schon als Schülerin. Als sie sich später nicht entscheiden wollte, ob sie Mathematik oder Molekularbiologie studieren sollte, wählte sie kurzerhand beides. An der Universität Wien absolvierte sie Mathematik und Molekularbiologie – und suchte von da an nach Möglichkeiten, diese beiden Welten miteinander zu verbinden.
Manharts mathematische Modelle bilden nicht die gesamte biologische Realität ab. Sie vereinfachen. „Modellieren heißt wegnehmen“, sagt Manhart. Entscheidend sei, so viel wegzulassen, dass ein Modell überschaubar bleibt – aber genug zu behalten, um das Phänomen noch erklären zu können.
Aus biologischen Annahmen werden Gleichungen, aus Hypothesen Computersimulationen. Manhart kann damit testen, wie sich Zellgruppen verhalten, wenn einzelne Eigenschaften verändert werden: Was passiert, wenn manche Zellen stärker haften? Was, wenn andere beweglicher sind? Welche Kombinationen führen dazu, dass eine Gruppe zusammenbleibt und trotzdem vorankommt?
Wie Simulationen Experimente ergänzen
Dabei arbeitet sie mit Juliane Winkler von der Medizinischen Universität Wien zusammen, die unter anderem Brustkrebszellen untersucht, auch Zellen von Patientinnen. Die Modelle sollen Experimente nicht ersetzen, sondern ergänzen. Sie können Hinweise geben, welche Mechanismen plausibel sind und welche Annahmen nicht ausreichen.
Besonders interessant findet Manhart Situationen, in denen mehrere Erklärungen möglich sind. „Was ich sehr gerne mache, ist, wenn es verschiedene Hypothesen gibt, also nicht ein Modell zu schreiben, sondern ein Set an Modellen“, sagt sie. Dann lässt sich vergleichen, welche Erklärung zu den Daten passt – und welche nicht.
Gefährliche Gruppen
Beim Thema Krebs geht es in Manharts Projekt besonders um die Frage, warum Zellgruppen bei der Metastasierung „erfolgreicher“ sein könnten als einzelne Zellen. Tumorzellen können unterschiedliche Zustände annehmen. Manche haften stärker aneinander, andere sind beweglicher und lösen sich leichter aus dem Gewebe. Für einen Tumor kann es vorteilhaft sein, wenn nicht alle Zellen gleich sind.
Möglich ist etwa, dass beweglichere Zellen bestimmte Positionen in der Gruppe einnehmen, während stärker haftende Zellen die Gruppe zusammenhalten. Wie bei einer Wandergruppe müssten dann nicht alle dieselbe Aufgabe übernehmen. Die Verschiedenheit der Zellen könnte der Gruppe helfen, sich effizienter durch Gewebe zu bewegen.
Mathematisch lässt sich untersuchen, welche Anordnung besonders gut funktioniert: Ist es günstiger, wenn alle Zellen sehr beweglich sind? Oder wenn manche stärker haften? Welche Kombinationen machen eine Zellgruppe besonders anpassungsfähig?
Grundlagenforschung mit medizinischem Horizont
Manhart betreibt Grundlagenforschung. Gerade diese Grundlagen könnten aber in Zukunft wichtig werden. Wenn man besser versteht, warum bestimmte Zellgruppen eher Metastasen bilden, könnten sich daraus neue Hypothesen für Diagnostik, Therapie und Behandlung von Brustkrebs oder anderen Krebsformen ergeben. Vielleicht ließe sich eines Tages besser abschätzen, welche Tumoren besonders metastasierungsfähig sind. „Das wäre eine tolle Sache, wenn man sagen könnte, warum ein Tumor eher Metastasen bildet als ein anderer. Es wäre vorstellbar, dass man das dann in irgendeiner Form ausnutzen und sagen könnte: Wie kann man Metastasenbildung reduzieren oder verhindern?“, erklärt Manhart.
Die Robustheit des Lebens
Zellbewegung ist nicht nur für Krebs relevant. Ähnliche Prinzipien spielen auch in der Embryonalentwicklung und bei der Wundheilung eine wichtige Rolle. In der Entwicklung müssen Zellen ihre Identitäten annehmen, ihre Aufgaben verändern und an die richtigen Orte gelangen. Bei der Wundheilung wandern Zellen des Immunsystems, Blutplättchen und andere Zelltypen zur verletzten Stelle. Auch dort muss Bewegung koordiniert sein.
Was Manhart an solchen Prozessen besonders fasziniert, sind die vielen Rückkopplungen und Kontrollmechanismen in lebenden Systemen. Zellen regulieren sich selbst, reagieren auf Störungen, aktivieren Sicherungen. Wenn etwas schiefläuft, gibt es oft weitere Ebenen, die eingreifen. „Wie robust diese Regulationsmechanismen sind, ist total überraschend.“
„Wie robust diese Regulationsmechanismen sind, ist total überraschend.“
Forschung aus dem Elfenbeinturm holen
Neben ihrer Forschung engagiert sich Manhart auch in der Vermittlung von Wissenschaft. „Es ist mir sehr wichtig, dass man sich als Wissenschaftler:in der nächsten Generation und der ganzen Öffentlichkeit gegenüber die Mühe macht, die eigene Arbeit zu erklären und dafür zu begeistern“, sagt Manhart. Sie erklärt komplexe Themen nicht nur Studierenden oder Fachkolleg:innen, sondern auch außerhalb der Universität. Sogar ihrem vierjährigen Sohn erzählt sie bereits, was Zellen sind, wie klein sie sind und warum man sie mit freiem Auge nicht sehen kann.
„Wissenschaft ist das beste System, das wir haben, um neues Wissen zu generieren. “
Auch visuell vermittelt Manhart Forschung: Sie nutzt unter anderem Illustrationen und Aquarelle, um wissenschaftliche Inhalte zugänglicher zu machen. Für Manhart gehört das zur wissenschaftlichen Arbeit dazu. Forschung solle nicht im Elfenbeinturm bleiben, sagt sie. Und gerade fachfremde Fragen seien oft hilfreich, weil sie den Blick auf das Wesentliche lenken.
In einer Zeit, in der Vertrauen in Wissenschaft nicht selbstverständlich ist, hält Manhart es für wichtig, sichtbar zu machen, wie sorgfältig, kritisch und überprüfbar wissenschaftliches Arbeiten funktioniert. „Es ist immerhin trotzdem das beste System zur Wissensproduktion, das wir haben“, sagt sie.
Für eine Forscherin, die zwischen mehreren Disziplinen forscht, klingt das logisch. In der Modellierung übersetzt sie Biologie in Mathematik. In der Kommunikation übersetzt sie Forschung in Bilder, Analogien und Erklärungen. Beides verlangt Vereinfachung – aber eine Vereinfachung, die das Wesentliche sichtbar macht.
Zur Person
Angelika Manhart ist Mathematikerin an der Universität Wien und arbeitet im Bereich der mathematischen Biologie. Sie studierte Mathematik und Molekularbiologie und verbindet in ihrer Forschung mathematische Modellierung, Computersimulation und biologische Fragestellungen. In ihrem vom FWF geförderten ASTRA-Projekt untersucht sie, wie sich heterogene Zellgruppen organisieren und durch ihre Umgebung bewegen. Im Fokus steht die kollektive Zellmigration, insbesondere im Zusammenhang mit Krebs und Metastasierung.
Gemeinsam mit Juliane Winkler von der Medizinischen Universität Wien untersucht sie unter anderem Brustkrebszellen, um besser zu verstehen, warum Zellgruppen erfolgreicher metastasieren als einzelne Zellen. Ihre Forschung ist auch für Prozesse wie Embryonalentwicklung, Wundheilung und die Selbstorganisation lebender Systeme relevant.
