Krebs als eine Erkrankung des Stoffwechsels



Hier präsentiere ich die deutsche Übersetzung des Artikels von Professor Thomas SEYFRIED.

Professor Seyfried hat mir gestattet, die Übersetzung zu veröffentlichen. Am Anfang finden Sie den Link, wo Sie den Originaltext lesen können. Dieser ist sehr wissenschaftlich formuliert und daher nicht von jedermann anstandslos zu lesen, auch nicht die deutsche Fassung auf dieser Seite. Daher verweise ich auf die Abschnitte „Zusammenfassung“ und „Einführung“ am Anfang des Artikels, sowie auf die Kapitel „Die Zusammenhänge verbinden“ und „Einbeziehung der Hypothese für das Krebs-Management“, die eher gut verständlich sind.

Hinweise von Dr. Kroiss: An manchen Stellen wurden von mir erklärende Fußnoten angebracht. Wenn Sie den Mauszeiger auf die Ziffer der Fußnote halten, wird ihr Text direkt angezeigt. Sie können die Fußnote auch anklicken, um die ganze Liste der Fußnoten zu sichten (oder auszudrucken), müssen von dort aber wieder auf diese Seite zurück-klicken. Zu einigen der schwierig zu lesenden Kapitel habe eine vereinfachte Kurzfassung auf einer getrennten Seite bereitgestellt. Die Überschrift eines jeden betroffenen Kapitels wurde als (blau eingefärbter) Verweis ausgeführt, der direkt auf die Passage auf besagter Zusatzseite führt. Auch die erläuternden Fußnoten sind auf jener Seite noch einmal ausgeführt. Bitte klicken Sie von dort wieder auf diese Seitre zurück.

Anmerkungen von Dr. Kroiss, Übersetzer: Dieser Artikel wurde von mir für privaten Gebrauch übersetzt; Fußnoten sind nur von mir angebracht worden, sollen es Laien (Patienten) ein wenig erleichtern, den Text zu verstehen. Die Übersetzung dient als Grundlage, damit Patienten die Wissenschaftlichkeit einer korrekten Krebs-Diät und Krebs-Zusatz-Behandlung anerkennen und besser verstehen. Die sehr zahlreichen Referenzen (311) sind hier weggelassen und müssen in der englischen Originalfassung nachgeschlagen werden. Es wurde sehr wortgetreu übersetzt, was zur Folge hat, dass Fachausdrücke zumeist solche geblieben sind; man möge sie bitte selber nachschlagen, falls nötig. Für den Laien ist es nicht notwendig, alle Abschnitte komplett zu verstehen, weil sehr viele mikrobiologische Details enthalten sind, um mikrobiologische Schlussfolgerungen korrekt darzustellen. Am Ende werden vom Übersetzer noch einige Fachausdrücke erläutert. Die Übersetzung ist vollständig, die Kommentare von mir für Patienten sind unvollständig und werden weiterhin, je nach entstehendem Bedarf, zugefügt oder verändert werden. Außerdem habe ich die Mehrzahl des Wortes „Krebs“ einfach mit „Krebse“ übersetzt, obwohl es im Deutschen eigentlich keine Mehrzahl von Krebs gibt, was die Krankheit betrifft. Dies wurde getan, weil es nur so möglich war, bei einer möglichst wörtlichen Übersetzung zu bleiben.

Seyfried and Shelton, Nutrition & Metabolism, 2010

Zusammenfassung

Immer mehr Beweismaterial deutet darauf hin, dass ein beeinträchtigter Energiestoffwechsel das maßgebliche Charakteristikum von fast allen Krebsarten ist, egal ob von zellulärem oder bindegeweblichem Ursprung. Im Gegensatz zu normalen Zellen, die das meiste ihrer brauchbaren Energie aus der oxydativen Phosphorylierung ziehen, werden die meisten Krebszellen hochgradig von Substratkettenphosphorylierung abhängig, um einem Energiemangel zu begegnen. Es wird die Beweislage gesichtet, welche die generelle Hypothese unterstützt, dass Gen-Instabilität und speziell alle Charakteristika von Krebs einschließlich der aeroben Glycolyse (Warburg Effekt) auf eine geschädigte mitochondriale Funktion und einen geschädigten Energiestoffwechsel zurückgeführt werden können. Eine Sicht, dass Krebs primär eine Stoffwechselerkrankung ist, wird deutliche Wirkung auf Methoden des Krebsbehandlung (Krebsmanagements) und der Vorbeugung haben.

Einführung

Krebs ist eine komplexe Erkrankung, welche zahlreiche zeitliche und räumliche Veränderungen in der Zell-Physiologie mit einschließt, was letztlich zu malignen Tumoren führt. Abnormes Zellwachstum (neoplasia) ist der biologische Endpunkt dieser Erkrankung. Das Hineinwachsen von Tumorzellen in umgebendes Gewebe und in ferne Organe ist die Hauptursache für Siechtum und Mortalität der meisten Krebspatienten. Der biologische Ablauf, durch welchen normale Zellen in maligne Zellen transformiert werden, war Gegenstand von großen Forschungsbemühungen in den biomedizinischen Wissenschaften seit vielen Jahrzehnten. Trotz dieser Forschungsbemühungen sind Heilungen und Langzeitstrategien bei metastasiertem Krebs so herausfordernd, wie sie vor 40 Jahren waren, als Präsident Richard Nixon den Krieg gegen den Krebs erklärt hat.

Verwirrung umgibt den Ursprung von Krebs. Widersprüche und Paradoxa haben das Gebiet geplagt. Ohne ein klares Konzept über die Entstehung von Krebs wird es sehr schwierig, eine klare Strategie zu formulieren, um die Krebskrankheit zu managen. Obwohl der malignen Transformation sehr spezifische Vorgänge zugrunde liegen, kann eine große Zahl von unspezifischen Einflüssen diese Krankheit auslösen, einschließlich Strahlung, Chemikalien, Viren, Entzündungen, etc. Tatsächlich scheint es, dass Krebs durch fast jede Art von provokativem Einfluss aus der Umgebung ausgelöst werden kann, wenn dieser längere Zeit einwirkt. Dass ein sehr spezifischer Prozess auf sehr unspezifische Arten ausgelöst werden kann, war von Szent-Gyorgyi als das „onkogene Paradoxon“ bezeichnet worden. Dieses Paradoxon ist weitgehend ungelöst geblieben.

In einem wegweisenden Werk legten Hannah und Weinberg nahe, dass 6 wesentliche Veränderungen in der Zell-Physiologie dem bösartigen Krebswachstum zugrunde liegen könnten. Diese sechs Veränderungen wurden als die Markenzeichen1 von fast allen Krebsarten bezeichnet; sie waren: 1) Selbstversorgung von Wachstums-Signalen, 2) fehlende Sensibilität zu Signalen von Wachstums-Inhibitoren, 3) das Entkommen von programmiertem Zelltod (Apoptose), 4) unbegrenzte Fähigkeit zu Wiedervervielfältigung, 5) Selbstversorgung von Blutzufuhr (Angiogenesis) und 6) die Invasion in Gewebe und Metastasen. Eine Instabilität der Gene, welche zu erhöhter Verwandlungsfähigkeit führt, war als das maßgebliche ursächliche Charakteristikum betrachtet worden, um diese sechs Markenzeichen des Krebses hervorzurufen. Hingegen ist die Mutationsrate für die meisten Gene niedrig, weswegen es unwahrscheinlich ist, dass diese Vielzahl von pathogenen Veränderungen, die in Krebszellen gefunden werden, innerhalb einer menschlichen Lebensspanne auftreten kann. Dies erzeugte ein weiteres Paradoxon. Wenn Mutationen so seltene Vorkommnisse sind, wie ist es dann möglich, dass Krebs so viele unterschiedliche Typen und Arten von Veränderungen zum Ausdruck bringen können?

Der Verlust von „Aufpassern“ oder „Wächtern“ aus dem Genmaterial, welche diese DNA-Schädigungen erkennen und reparieren sollten, sollte für diese gesteigerte Veränderlichkeit von Tumorzellen herhalten. Der Verlust dieser Aufpasser-Systeme würde Gen-Instabilität erlauben und es so zulassen, dass prämaligne Zellen die 6 charakteristischen Markenzeichen des Krebses erreichen. Es war jedoch sehr schwer, mit Gewissheit den Ursprung der Prä-Malignität und die Mechanismen zu definieren, durch welche diese Wächter/Aufpasser-Systeme während der entstehenden Malignität verloren gehen.

Zusätzlich zu den sechs anerkannten Markenzeichen des Krebses ist die aerobe Glycolyse oder der Warburg Effekt ebenfalls ein stabiles metabolisches Markenzeichen von fast allen Tumoren. Obwohl keine spezifische Genmutation oder chromosomale Abnormität den Krebsarten gemeinsam wäre, weisen fast alle Krebsarten aerobe Glycolyse auf, egal von welchem geweblichen oder zellulären Ursprung. Aerobe Glycolyse in Krebszellen ist mit erhöhtem Einstrom von Glucose und erhöhter Produktion von Milchsäure in der Gegenwart von Sauerstoff verbunden. Diese Stoffwechselerscheinung bildet die Basis für bildgebende Verfahren von Tumoren, welche gekennzeichnete Glucose-Analoga gebrauchen, und ist ein wichtiges diagnostisches Verfahren geworden, um Krebs zu entdecken und zu managen. Die Gene für Glycolyse sind in den meisten untersuchten Krebsarten übermäßig vorhanden (overexpressed).

Die Entstehung des Warburg Effekts in Tumorzellen ist umstritten gewesen. Der Entdecker dieses Phänomens, Otto Warburg, hatte die aerobe Glycolyse ursprünglich so gedeutet, dass sie eine Begleiterscheinung eines grundlegenderen Problems in der Krebsphysiologie wäre, nämlich einer geschädigten oder ruinierten Zellatmung. Ein erhöhter glycolytischer Fluss war als ein notwendiger kompensatorischer Mechanismus für die Energieproduktion angesehen worden, um die Lebensfähigkeit von Tumorzellen zu aufrecht zu erhalten. Obwohl aerobe Glycolyse und anaerobe Glycolyse miteinander ähnlich sind, nämlich dass in beiden Situationen Milchsäure produziert wird, kann die aerobe Glycolyse in Tumorzellen von geschädigter Zellatmung stammen, wohingegen die anaerobe Glycolyse durch das Fehlen von Sauerstoff entsteht. Da Sauerstoff die anaerobe Glycolyse und die Produktion von Milchsäure in den meisten normalen Zellen reduzieren wird (Pasteur Effekt), kann die ständige Produktion von Milchsäure in der Gegenwart von Sauerstoff einen abnormen Pasteur Effekt repräsentieren. Dies ist die Situation in den meisten Tumorzellen. Nur diejenigen Körperzellen, welche die Glycolyse während vorübergehender respiratorischer Schäden erhöhen können, waren als fähig angesehen worden, Krebs zu formen. Diejenigen Zellen anderseits, die nicht fähig waren, die Glycolyse als Antwort zu respiratorischen Engpässen zu erhöhen, würden wegen Sauerstoffmangel zugrunde gehen. Krebszellen würden daher durch eine schrittweise und irreversible Schädigung ihrer respiratorischen Kapazität aus normalen Körperzellen entstehen. Aerobe Glycolyse, welche durch geschädigte Zellatmung entsteht, ist der einzige fast immer vorkommende Phänotyp, der in Krebszellen gefunden wird.

Auf der Basis von metabolischen Daten, welche aus vielen tierischen und menschlichen Tumorproben gesammelt wurden, hatte Warburg mit großer Sicherheit und Kenntnis gedeutet, dass der irreversible respiratorische Schaden die primäre Ursache von Krebs war. Warburgs Theorie wurde jedoch als zu einfach und nicht standhaft attackiert, weil offensichtlich normale Zellatmung in machen Tumorzellen nachgewiesen werden konnte. Die Theorie hat auch nicht die Rolle von Mutationen adressiert, die bei Tumoren vorkommen, auch nicht das Phänomen von Metastasen, und sie hat auch nicht die direkte Verbindung zwischen molekularen Mechanismen von unkontrolliertem Zellwachstum zur beeinträchtigten Atmung hergestellt. In der Tat hat Warburgs Biograph, Hans Krebs, angemerkt, dass Warburgs Idee über die primäre Ursache von Krebs, nämlich das Ersetzen von Atmung durch Fermentation (Glycolyse), nur ein Symptom von Krebs und nicht die Ursache war. Die primäre Ursache wurde auf der Basis von Gen-Expression vermutet. Die Sicht von Krebs als eine metabolische Krankheit wurde schrittweise durch die Sicht ersetzt, dass Krebs eine genetische Erkrankung sei. Nun stellt jedoch eine vermehrte Beweislage den genetischen Ursprung von Krebs in Frage und legt nahe, dass Krebs primär eine metabolische Erkrankung ist.

Unser Ziel ist es, die Argumentation über die Entstehung von Tumorzellen neu zu betrachten und eine generelle Hypothese zu präsentieren, dass die Veränderlichkeit der Gene und vor allem die 6 Markenzeichen des Krebses, den Warburg-Effekt mit eingeschlossen, mit eingeschränkter Zellatmung und eingeschränktem Energie-Stoffwechsel in Zusammenhang gebracht werden können. Kurz gesagt: Der Schaden an der Zellatmung steht zeitlich vor und verursacht die Gen-Instabilität und begleitet die Tumorentwicklung. Ist die Gen-Instabilität erst einmal hervorgerufen, trägt sie zu weiterer Beeinträchtigung der Zellatmung, zu weiterer Genmutation und zu Tumorwachstum bei. Mit anderen Worten: Wirkungen werden zu Ursachen. Diese Hypothese findet ihre Grundlage in Beweisen, dass die Unversehrtheit von Genen im Zellkern von dem Energie-Gleichgewicht in den Mitochondrien abhängig ist, und dass Zellen ein konstantes Niveau an nutzbarer Energie benötigt, um die Lebensfähigkeit der Zelle aufrecht zu erhalten. Während Warburg die Zentralität der geschädigten Zellatmung erkannt hat, hat er dieses Phänomen nicht mit dem in Zusammenhang gebracht, was wir heute als die Markenzeichen des Krebses bezeichnen. Wir überprüfen die Beweise, welche diese Verbindungen herstellen, und wir erweitern Warburgs Ideen, auf welche Weise der beeinträchtigte Energiestoffwechsels für Tumor-Management und Vorbeugung genützt werden kann.

Energieverhältnisse der lebenden Zelle

Damit Zellen lebensfähig bleiben und ihre genetisch vorgesehenen Funktionen ausüben können, müssen sie nutzbare Energie produzieren. Diese Energie ist üblicherweise in ATP gespeichert und wird bei der Hydrolyse der terminalen Phosphatbindung freigesetzt. Dies wir üblicherweise als die freie Energie der ATP-Hydrolyse bezeichnet. Die standardisierte Energie der ATP-Hydrolyse unter physiologischen Bedingungen ist bekannt als ∆G´ATP und wird in allen Zellen zwischen -53 und -60 kJ/mol streng reguliert. Das meiste dieser Energie wird dazu verwendet, um die Jonenpumpe der Membran zu versorgen. In Zellen mit funktionsfähigen Mitochondrien wird diese Energie aus der oxydativen Phosphorylierung gewonnen, wo ungefähr 88 % der totalen zellulären Energie erzeugt wird (ungefähr 28/32 ATP Moleküle). Die anderen ungefähren 12 % werden ungefähr zu gleichen Teilen von Substratketten-Phosphorylierung durch Glycolyse im Zytoplasma und aus dem TCA Zyklus (Zitronensäure-Zyklus) in der mitochondrialen Matrix (je 2 ATP Moleküle). Veech und Mitarbeiter zeigten, dass das ∆G´ATP von Zellen durch die Energie von Jonen-Verteilern via die Natrium Pumpe und damit zusammenhängende Transporter empirisch formalisiert und messbar gemacht wurde. Die Energien von Jonenverteilern wurden mittels Bezeichnung des Gibbs-Donnan Gleichgewichtes erklärt, welches essentiell für die Produktion von für Elektrizitäts-, Konzentrations- und Druck-Arbeit war.

Eine bemerkenswerte Entdeckung war die Ähnlichkeit der ∆G´ATP in Zellen mit sehr unterschiedlichem Ruhe-Membranpotential und Mechanismen der Energieproduktion. Zum Beispiel war das ∆G´ATP in Herz, Leber und Erythrozyten ungefähr -56 kJ/mol, obwohl sie sehr unterschiedliche Energiepotentiale hatten, nämlich -86, -56 und -6 mV. Zudem geschieht die Energieproduktion in Herz und Leber, die viele Mitochondrien haben, hauptsächlich durch Atmung, wohingegen die Energieproduktion im Erythrozyten, der weder einen Kern noch Mitochondrien hat, vollständig durch Glycolyse geschieht. Warburg zeigte auch, dass die gesamte Energieproduktion in ruhenden Nieren- und Leberzellen erstaunlich ähnlich zu der in proliferierenden Krebszellen war. Trotz der deutlichen Unterschiede im Ruhepotential und in den Mechanismen der Energieproduktion zwischen diesen Zelltypen brauchen sie eine ähnliche Menge an Gesamt-Energie, um lebensfähig zu bleiben.

Die Konstanz der ∆G´ATP von ungefähr -56 kJ/mol ist für die zelluläre Homöostase und ihrer Beziehung zur Energie der Krebszelle entscheidend. Die Aufrechterhaltung von der ∆G´ATP ist der „Endpunkt“ sowohl von genetischen als auch metabolischen Prozessen, und eine Störung dieses Energieniveaus wird die Funktion und die Lebensfähigkeit der Zelle gefährden. Zellen können sowohl von zu wenig als auch von zu viel Energie sterben. Zu wenig Energie wird entweder durch nekrotische oder apoptotische Mechanismen zum Zelltod führen, wohingegen eine Überproduktion von ATP, ein polyanjonisches Donnan-aktives Material, das Donnan-Gibbs Gleichgewicht zerstören, die Funktion der Membranpumpen verändern und Atmung und Lebensfähigkeit behindern wird. Glycolyse und Glutaminolyse müssen in Zellen ansteigen, die an geschädigten Mitochondrien leiden, um ein adäquates ∆G´ATP für die Lebensfähigkeit aufrecht zu erhalten. Dieser Umstand wurde klar dargestellt, indem man nachgewiesen hat, dass die gesamte Energieproduktion sowohl in respiratorisch normalen als auch in respiratorisch geschädigten Fibroblasten dieselbe war.

Zusätzlich zur Rolle des Glutamins beim Auffüllen von Zwischenprodukten des Zitratzyklus (anaplerosis), kann es auch genug Energie durch Stimulation von Glycolyse im Zytoplasma und durch Substratkettenphosphorylierung im Zitratzyklus bereitstellen (Glutaminolyse). Die Energie, gewonnen durch Substratkettenphosphorylierung im Zitratzyklus, kann sowohl den Mangel an Glycolyse als auch den Mangel an oxydativer Phosphorylierung wettmachen, und kann eine Hauptquelle für Energie für Glutamin-abhängige Krebsarten darstellen. Es wird in Krebszellen mehr Energie durch Substratkettenphosphorylierung als in normalen Zellen produziert, welche die meiste Energie durch oxydative Phosphorylierung gewinnen. Ein hauptsächlicher Unterschied zwischen normalen Zellen und Krebszellen liegt mehr im Ursprung ihrer produzierten Energien als in der produzierten Menge, nachdem -56 kJ/mol die Menge ist, die eine Zelle zum Überleben benötigt, egal ob Zellen ruhen, proliferieren, hauptsächlich glycolytisch oder respiratorisch arbeiten. Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass eine verlängerte Abhängigkeit von Substratkettenphosphorylierung zur Energieproduktion eine Instabilität der Gene, Fehlfunktionen in der Zelle und vermehrte Entropie verursacht.

Die Funktion der Mitochondrien in Krebszellen

Erhebliche Meinungsverschiedenheit hat das Gebiet um die Funktion der Mitochondrien in Krebszellen gegeben. Sidney Weinhouse und Britton Chance haben durch ihre kritische Bewertung an Warburgs Theorie und die Rolle der mitochondrialen Funktion viel zu dieser Kontroverse beigetragen. Im Grunde meinte Weinhouse, dass ein quantitativ und qualitativ normaler Kohlenstoff- und Elektronentransport in der Krebszelle trotz einer Anwesenheit von erhöhter Glycolyse stattfinden kann. Weinhouse nahm an, dass Sauerstoff-Verbrauch und CO2 Produktion für gekoppelte2 Atmung bezeichnend wäre. Es würden jedoch exzessive Mengen von Donnan aktivem Material (ATP) entstehen, wenn erhöhte Glycolyse mit gekoppelter Atmung vorkommen würde. Ansammlung von Donnan aktivem Material würde Zell-Schwellung und einen Zustand jenseits des Donnan-Gibbs-Equilibriums hervorrufen. Das Auftreten von hochregulierter Gylcolyse zusammen mit normaler gekoppelter Atmung ist nicht mit metabolischer Homöostase und mit Überlebensfähigkeit der Zelle vereinbar. Chance und Hess argumentierten ebenfalls gegen eine behinderte Atmung in Krebs, basierend auf deren spektrometrischen Studien, welche einen hauptsächlich normalen Elektronentransfer in Ascites-Tumor-Zellen zeigte. Diese Studien haben jedoch verabsäumt, das Niveau von ATP-Produktion als eine Folge von normalem Elektronentransfer zu messen, und haben nicht die Möglichkeit von erhöhter ATP-Produktion durch Substratkettenphosphorylierung aus dem Zitratzyklus ausgeschlossen. Wie weiter unten noch erläutert wird, kann das mitochondriale Abkoppeln den falschen Eindruck von funktionierender respiratorischer Kapazität erwecken.

Sauerstoff-Aufnahme und CO2-Produktion kann in Mitochondrien vorkommen, die entkoppelt oder dysfunktionell sind. Während reduzierte Sauerstoff-Aufnahme bezeichnend für reduzierte oxydative Phosphorylierung sein kann, mag – oder mag auch nicht - erhöhte Sauerstoff-Aufnahme für oxydative Phosphorylierung und ATP-Produktion bezeichnend sein. Ramanathan und Mitarbeiter zeigten, dass in Zellen mit höherem Malignitäts-Potential Sauerstoff-Verbrauch größer aber Sauerstoff-abhängige ATP-Synthese geringer war, als in Zellen mit geringerem Malignitäts-Potential. Diese Untersuchungsergebnisse zeigen sich einheitlich bei mitochondrialem Entkoppeln in Tumorzellen. Wegen dieser Arten der Beobachtungen in anderen Systemen betrachtete Warburg das Phänomen der aeroben Glycolyse als zu unberechenbar, dass es als Indikator für den respiratorischen Status herhalten könne. Auch Hitzeproduktion ist in schlecht differenzierten hoch glycolytischen Tumorzellen größer als in differenziert niedrig-glycolytischen Zellen. Hitzeproduktion steht im Einklang mit mitochondrialem Entkoppeln in diesen Zellen mit höherem Malignitäts-Potential. Obwohl Burk, Schade, Colowick und andere in überzeugender Weise die hauptsächlichen Kritikpunkte gegenüber der Warburg-Theorie zerstreuten, halten sich in gegenwärtigen Diskussionen hartnäckig Zitate aus älteren Behauptungen zugunsten normaler Zellatmung in Krebszellen.

Neben Glucose kann auch Glutamin für manche Krebsarten als bedeutender Energie-Metabolit dienen. Glutamin ist oft in hoher Konzentration in Kulturmedien und im Serum enthalten. Die Lebensfähigkeit und das Wachstum von Zellen kann von der Energie unterhalten werden, die durch Substratkettenphosphorylierung im TCA-Zyklus generiert wird, indem Glutamin als Substrat verwendet wird. Energie, die auf diesem Wege gewonnen wird, könnte den falschen Eindruck von normaler oxydativer Phosphorylierung erwecken, weil Sauerstoff-Verbrauch und CO2-Produktion aus Glutaminolyse und entkoppelter oxydativer Phosphorylierung hervorgehen kann. Daher sollten Beweise mit Vorsicht betrachtet werden, welche nahelegen, dass die mitochondriale Funktion in Krebszellen normal sei, wenn nicht Daten vorgelegt werden, welche Substratkettenphosphorylierung durch Glutaminolyse als alternative Energiequelle ausschließen.

Fehlfunktion von Mitochondrien in Krebszellen

Zahlreiche Studien zeigen, dass Mitochondrien in Tumoren strukturell und funktionell abnormal und unfähig sind, ein normales Energie-Niveau zu erreichen. Jüngste Beweise zeigen auch, dass das in-vitro-Wachstums-Milieu die Lipid-Zusammensetzung der Mitochondrien-Membran und die Funktion des Elektronen-Transports verändert. Noch dazu unterscheiden sich die mitochondrialen Lipid-Abnormitäten, hervorgerufen durch das das in vitro-Wachstums-Milieu, von den Lipid-Abnormitäten, die zwischen normalem Gewebe und in vivo gewachsen Tumoren gefunden werden. Es erscheint, dass das in vitro-Wachstums-Milieu Complex-1-Aktivität vermindert und die Grenzen zwischen der Crabtree- und Warburg-Effekte verschleiert. Der Crabtree-Effekt involviert die Verhinderung der Atmung durch hohen Glucose-Spiegel, wohingegen der Warburg-Effekt die Verhinderung von Respiration (Atmung) wegen beeinträchtigter oxydativer Phosphorylierung involviert. Während der Crabtree-Effekt reversibel ist, ist der Warburg-Effekt weitgehend irreversibel. Ähnlichkeiten in mitochondrialen Lipiden, die zwischen epidermoidalem Lungentumor und fetalen Lungenzellen gefunden wurden, sind auch mit respiratorischen Defekten in Tumorzellen übereinstimmend. Die bioenergetische Kapazität von Mitochondrien ist in hohem Ausmaß von Gehalt und Zusammensetzung der mitochondrialen Lipide abhängig.

Veränderungen an Lipiden der mitochondriellen Membran und speziell an Cardiolipin, dem an der inneren Membran angereicherten Lipid, unterbrechen den mitochondrialen Bewegungsgradienten (∆ᴪm), auf diese Art eine protein-unabhängige Entkoppelung induzierend, mit begleitender Reduktion der respiratorischen Energieproduktion. Krebszellen beinhalten Abnormitäten in Gehalt und Zusammensetzung von Cardiolipin, was mit Abnormitäten im Elektronentransport einhergeht. Cardiolipin ist das einzige Lipid, das fast ausschließlich in den Mitochondrien synthetisiert wird. Proteine der Elektronentransportkette entwickelten sich, um in enger Zusammenarbeit mit Cardiolipin zu arbeiten. Neben der Veränderung der Funktion der meisten Elektronentransportketten, einschließlich der F1-ATPase, verhindern die Abnormitäten des Gehaltes und der Zusammensetzung von Cardiolipin auch die Aufnahme von ADP durch den Adenin Nukleid-Transporter und auf diesem Weg auch die Effizienz der oxydativen Phosphorylierung. Abnormitäten des Gehaltes und der Zusammensetzung von Cardiolipin wird auch die Oxydation des Coenzym-A Paares verhindern und so „reactive oxygen spezies“ (ROS) während der Tumorprogression erzeugen. Erhöhte ROS Produktion kann die Genstabilität, die Funktion von Tumor-Suppressor-Genen und die Kontrolle über Zellproliferation schädigen. Auf diese Weise können Abnormitäten im Cardiolipin die Zellatmung auf verschiedenen Wegen verändern.

Cardiolipin-Veränderungen in Krebszellen können durch jede Art von unspezifischen Einflüssen entstehen, inklusive Schaden durch Karzinogene, Bestrahlung, zu viel Hypoxie, Entzündung, ROS oder von ererbten Mutationen, welche die mitochondriale Energie-Homöostase verändern. Wenn man das dynamische Verhalten von Mitochondrien in Betracht zieht, einschließlich der normalen Fusion und Fission, könnten Abnormitäten in mitochondrialer Lipid-Komposition und speziell von Cardiolipin schnell durch das zelluläre mitochondriale Netzwerk verteilt und könnte sogar auf somatischem Wege durch zytoplasmatische Vererbung zu Tochterzellen weitergegeben werden.

Neben der lipidomischen Beweislage, welche die Warburg-Theorie unterstützt, versorgen jüngere Studien von Cuezma und Mitarbeiter auch überzeugende proteonische3 Beweise, welche die Theorie unterstützen. Ihre Resultate zeigten einen Abfall in dem β-F1-ATPase/Hasp60 – Verhältnis, zusammenhängend mit einer Hochregulation des Potentials der Glyceraldehyd-3-phosphat-dehydrogenase in den üblichsten menschlichen Tumoren. Diese und andere Beobachtungen zeigen, dass die bioenergetische Kapazität von Tumorzellen weitgehend defekt ist. In einer Zusammenschau zeigt die große Zahl der experimentellen Beweise, dass die Struktur und die Funktion der Mitochondrien in Krebszellen abnorm sind. Daher wird mitochondriale Dysfunktion dazu führen, dass Krebszellen ihre Energieproduktion wesentlich mehr als Nicht-Krebs-Zellen aus Substratkettenphosphorylierung ziehen, um die Funktion der Membranpumpen aufrecht zu erhalten und das Überleben der Zelle zu gewährleisten.

Der Zusammenhang zwischen Gen-Stabilität und mitochondrialer Dysfunktion

Ist es die Instabilität der Gene oder ist es der beeinträchtigte Energiestoffwechsel, was primär für den Ursprung von Krebs verantwortlich ist? Das ist mehr als eine akademische Frage, da die Antwort den Zugang zu Krebsmanagement und Vorbeugung stark beeinflussen wird. Metabolische Studien an diversen menschlichen Krebsarten haben gezeigt, dass der Verlust an mitochondrialer Funktion der Erscheinung von Malignität und der aeroben Glycolyse vorausgeht. Dennoch war es der übliche Blickpunkt über die letzten 50 Jahre gewesen, dass Genmutation und chromosomale Abnormitäten den meisten Aspekten der Tumorentstehung und –progression, einschließlich des Warburg-Effekts und der geschädigte Atmung, zugrunde liegen. Die Gentheorie von Krebs würde argumentieren, dass die mitochondriale Dysfunktion eher eine Folge als die Ursache von Krebs wäre, wohingegen die Theorie des beeinträchtigten Stoffwechsels das Gegenteil behaupten würde. Wenn Genmutationen die primäre Ursache von Krebs sind, kann die Krankheit als ätiologisch kompliziert betrachtet werden und würde vielfältige Lösungen für Management und Vorbeugung erfordern. Dies geht auf Forschungsergebnisse zurück, dass die Zahl und die Typen von Mutationen zwischen und innerhalb unterschiedlicher Krebstypen sehr unterschiedlich sind. Wenn anderseits behinderter Energie-Metabolismus primär für Krebs verantwortlich ist, können die meisten Krebsarten als eine Art metabolischer Erkrankung angesehen werden, was viel weniger und weniger komplizierte Lösungen erfordert.

Obwohl die mitochondriale Funktion und die oxydative Phosphorylierung in Tumorzellen beeinträchtigt ist, bleibt es unklar, wie diese Beeinträchtigungen mit der Karzinogenese und mit der großen Anzahl der somatischen Mutationen und chromosomalen Abnormitäten im Zusammenhang stehen, welche in Tumorzellen gefunden werden. Die meisten ererbten „angeborenen Fehler des Metabolismus“ beeinträchtigen die Funktion der Mitochondrien nicht speziell und verursachen in Säugern keinen Krebs. Es gibt dennoch einige Ausnahmen, wie Mutationen in der Keimlinie in Genen, welche die Proteine des TCA Zyklus kodieren, was das Risiko für gewisse menschliche Krebse erhöhen kann. Z.B. besteht eine Verbindung zwischen der Mutation im Succinat-Dehydrogenase-Gen und dem Risiko für Paragangliome, wohingegen das Risiko für Leyomyomatose und renal-Zell-Karzinom mit Gen-Mutationen in der Fumarat-Hydratase (fumarase) verknüpft ist. Diese und ähnliche Mutationen beeinträchtigen direkt die mitochondriale Energieproduktion und führen zu erhöhter Glycolyse und dem Warburg-Effekt. Obwohl seltene ererbte Mutationen am p53 Tumor-Suppressor-Gen das Risiko für manche familiäre Krebse beim Li Fraumeni Syndrom erhöhen kann, sind die meisten p53-Defekte, die in Krebsen gefunden wurden, nicht ererbt, und sie scheinen sporadisch aufzutauchen, wie es die große Mehrheit von Krebs-assoziierten Mutationen tut. Generell sind krebserzeugende Keimlinien-Mutationen selten und tragen nur zu etwa 5 – 7 % von allen Krebsen bei. Während Keimlinien-Mutationen einige wenige Krebse verursachen, sind die meisten Krebsmutationen somatisch und tragen mehr zum Fortschreiten als zur Entstehung der meisten Krebse bei.

Der Krebs-Mutator-Phänotyp4 musste dafür herhalten, die große Anzahl der somatischen Mutationen zu erklären, welche in Krebs gefunden werden, aber Mutationen im p53 Wächter-Gen (caretaker-Gen) sind nicht in allen Krebsarten exprimiert, noch produziert das Löschen von p53 bei Mäusen Krebs, was auf kompliziertere Verwicklungen davon und von anderen Wächter-Genen bei der Krebsentstehung hinweist. Während zahlreiche genetische Abnormitäten in den meisten menschlichen Krebsen beschrieben worden sind, kann keine spezifische Mutation für die Diagnose für irgendeinen Tumor herangezogen werden. Anderseits sind wenige Tumore – wenn überhaupt welche – bekannt, die eine normale Zellatmung aufweisen.

Retrograde Response (retrograde Antwort) und Instabilität der Gene

Als eine Alternative zu der Gen-Wächter-Hypothese für den Ursprung für somatische Mutationen kann der Genom-Instabilität und der Mutabilität von Krebszellen eine persistierende Retrograde Antwort zugrunde liegen. Die Retrograde (RTG) Antwort ist der genereller Fachausdruck für mitochondriales Signalisieren und beinhaltet zelluläre Antworten auf Veränderungen im Funktionszustand der Mitochondrien. Obwohl die RTG Antwort hauptsächlich in Hefe studiert worden ist, ist das Signalisieren von mitochondrialem Stress eine analoge Antwort in Zellen von Säugern. Die Expression von multiplen Kern-Genen, welche den Energie-Metabolismus kontrollieren, wird als Folge von Beeinträchtigung von mitochondrialer Energie-Homöostasis nachhaltig verändert.

Figure 1

Seyfried Bild 1

Activation of the retrograde response (RTG) response in yeast cells. The circled Ps are phosphate groups. SLP, (substrate level phosphorylation). See text for description of the RTG response.

Mitochondriale Beeinträchtigung kann von Abnormitäten der mtDNA5, des TCA-Zyklus6, der Elektronen-Transport-Kette oder dem Protonen-Bewegungs-Gradienten (∆ᴪm)der inneren Membran herrühren. Jedwede Beeinträchtigung der mitochondrialen Energieproduktion kann eine RTG Antwort auslösen. Die RTG-Antwort entstand in Hefe als Folge von periodischer Unterbrechung der mitochondrialen ATP-Produktion, um die Lebensfähigkeit der Zelle aufrecht zu erhalten. Dies geht größtenteils mit einem Übergang in der Energieproduktion von der oxydativen Phosphorylierung zur Substratketten-Phosphorylierung einher. Ähnliche Systeme sind auch in Zellen von Säugern vorhanden. Verlängerte oder andauernde Aktivierung von RTG Antwort kann jedoch schlimme Konsequenzen auf nukleare Gen-Stabilität und –Funktion haben.

Drei hauptsächliche regulatorische Elemente definieren die RTG Antwort in Hefe, einschließlich Rtg2-signaling-Protein und den Rtg1/Rtg-3 Transskriptionsfaktor-Komplex (beide sind grundlegende Helix-Schleife-Helix-Leucin Zippers7). RTG2 enthält eine Struktur mit einer N-terminal Bindung, die Veränderungen in der mitochondrialen ATP Produktion wahrnimmt. RTG2 reguliert auch die Funktion und die zelluläre Lokalisation des heterodimerischen Rtg1/Rtg-3 Komplexes. Die RTG Antwort ist in gesunden Zellen mit normaler mitochondrialer Funktion auf „off“ geschaltet (Abbildung 1). Im „off“-Zustand ist der Rtg1/Rtg-3 Komplex im Zytoplasma als Komplex, mit Rtg1 angeheftet (dimerisiert) an einer hoch phospholyrierten Form von Rtg-3. Neben seiner Rolle als ein Energie-Sensor im Zytoplasma fungiert Rtg2 auch im Kern als Regulator für chromosomale Integrität.

Die RTG Antwort wird als Folge von beeinträchtigter mitochondrialer Energie-Produktion auf „on“ geschaltet. Im „on“-Zustand löst sich zytoplasmatisches Rtg2 vom Rtg1/Rtg-3 – Komplex durch Dephosphorylierung von Rtg3. Die Rtg1- und Rtg3-Proteine dringen einzeln in den Kern ein, wo sich Rtg3 an die R-Box-Gegend bindet, Rtg1 sich wieder an Rtg3 bindet, und Transkription und Signalisierung für multiple Gene beginnt, welche mit Energie und Anti-Apoptose zusammenhängen, einschließlich MYC, TOR, p53, Ras, CREB, NFkB und CHOP. Die RTG Antwort beinhaltet auch die Beteiligung von vielfachen negativen und positiven Regulatoren, welche die biogene Transkription von Respiration zu Substratketten-Phosphorylierung fördern.

Es ist die vorrangige Rolle der RTG Antwort, die Synthese von ATP durch Glycolyse allein oder durch eine Kombination von Glycolyse mit Glutaminolyse zu koordinieren, wenn die respiratorische Funktion beeinträchtigt ist. Die RTG Antwort wird dann essentiell, wenn es darum geht, um eine stabile ∆G´ATP für die Lebensfähigkeit der Zelle durch Perioden von behinderter Respiration aufrecht zu erhalten. Eine verlängerte RTG Antwort würde jedoch das nukleare Genom anfällig für Instabilität und Mutabilität zurücklassen. Mitochondriale Dysfunktion erhöht auch das Niveau von zytoplasmatischem Kalzium, den Multi-Drug-Resistence-Phänotyp, Produktion von reactive oxygen species8 und Abnormitäten an Eisen-Schwefel-Komplexen, was zusammen wiederum weiter abnormes RTG-Signalisieren und Genom-Veränderung beschleunigen würde. Chronische Gewebs-Entzündung könnten Mitochondrien weiter schädigen, was diese Prozesse weiter beschleunigen würde. Zusammengefasst zeigen diese Untersuchungen, dass die Integrität der nuklearen Genome in großem Ausmaß von der Funktion und der Energieproduktion der Mitochondrien abhängig ist.

Ähnlichkeit zwischen Hefezellen und Zellen von Säugern in Bezug auf behinderte Zellatmung.

Es existieren interessante Ähnlichkeiten zwischen Hefezellen und Zellen von Säugern, was die physiologische Antwort auf beeinträchtigte Atmung anbelangt. Zellen von Säugern erhöhen die Expression von hypoxia-inducible-faktor-1α (HIF-1α)9 als Antwort auf vorübergehende Hypoxie. HIF-1α wird unter normoxen Bedingungen rasch abgebaut, stabilisiert sich aber unter Hypoxie. Dies ist eine konservierte physiologische Antwort, die sich entwickelt hat, um Zellen von Säugern vor Hypoxie-Schäden zu bewahren, und eine alternative Energiequelle zur Zellatmung bereitzustellen, indem HIF-1α die Expression von Pyrovat-Dehydrogenase-Kinase-1 und der meisten wichtigen Gene induziert, die mit Glukose-Aufnahme, Glycolyse und Milchsäure-Produktion zusammen hängen. HIF-1α - Expression ist auch in den meisten Tumorzellen erhöht, egal ob Hypoxie vorhanden ist oder nicht, und könnte zum Teil aerobe Glycolyse auslösen. Obwohl die Mechanismen der Stabilisierung von HIF-1α unter hypoxen Bedingungen gut definiert sind, sin die Mechanismen für die Stabilisierung unter aeroben oder normoxen Bedingungen weniger klar.

HIF-1α ist in Zellen unter normalen aeroben Bedingungen generell instabil, wegen dessen Interaktion mit dem von Hippel-Landau Tumor-Suppressor-Protein, welches die Hydroxylation, Ubiquitinierung und den proteosomalen Abbau von HIF-1α fördert. Die Stabilisierung von HIF-1α unter aeroben Bedingungen kann mit mitochondrialer Dysfunktion durch Abnormitäten in der Kalzium Homöostase, ROS-Erzeugung, NFkB10-signaling, Anhäufung von TCA-Zyklus-Metaboliten (Succinat, Fumarat) und onkogenen viralen Infektionen in Zusammenhang gebracht werden. Es ist noch nicht klar, ob eine Genom-Instabilität durch verlängerte HIF-1α Stabilisation unter aeroben Bedingungen entstehen kann, wie sie während Tumor-Initiation und –Progression vorkommen würde.

Neben der Funktion von HIF-1α zeigt auch der menschliche MYC Transkriptionsfaktor Homologie zu dem Hefe-Rtg3-Transkriptionsfaktor. MYC ist auch Bestandteil der grundlegenden Helix-Loop-Helix-Leucin-Zipper-Familie von Transkription-Faktoren, wie es RTG1 und RTG3 sind. HIF-1α und MYC regulieren auch viele der selben Gene für Glycolyse hinauf. Auf diese Weise teilen sich HIF-1α und MYC Ähnlichkeiten mit Komponenten des Hefe-RTG-Systems.

Mitochondriale Dysfunktion und der Mutator-Phänotyp11

Die meisten menschlichen Krebszellen zeigen Genom-Instabilität, einschließlich erhöhter Mutationsrate, ein Gros an chromosomaler Veränderungen und Veränderungen in der Chromosomenzahl. Die jüngsten Studien der Singh und Jawinsky Gruppen liefern überzeugende Beweise, dass mitochondriale Fehlfunktion, weitgehend auf dem Wege der RTG Antwort (Signalisieren von mitochondrialem Stress), dem Mutator Phänotyp12 von Tumorzellen zugrunde liegen kann. Die chromosomale Instabilität, die Expression von Genmutationen und der tumorgenetische Phänotyp waren in menschlichen Zellen mit Abbau von mtDNA13 signifikant größer als in Zellen mit normaler mtDNA. Mitochondriale Dysfunktion kann auch die Expression der Apurin/Apyrimidin Endonuclease APE1 hinunter regulieren. Das ist eine redox-sensitive multifunktionale Endonuklease, die DNA-Transskription und -Reparatur reguliert. Das Hinunterregulieren von APE1 wird die genome Mutabilität vergrößern. Weil Gen-Expression in verschiedenen Geweben unterschiedlich ist, ist zu erwarten, dass ein gestörter Energie-Metabolismus verschiedene Arten von Mutationen in unterschiedlichen Krebsen hervorrufen wird. Sogar unterschiedliche Tumore innerhalb desselben Krebstyps könnten den Anschein erwecken, verschiedene Krankheiten zu repräsentieren, wenn sie auf dem Gen-Niveau bewertet werden. Wenn sie jedoch auf metabolischem Niveau bewertet werden, sind sich die meisten Krebse und Tumore darin ähnlich, metabolische Dysfunktion und erhöhte Substratkettenphosphorylierung zu zeigen. Zunehmende Beweise legen nahe, dass die mitochondriale Dysfunktion dem Mutator-Phänotyp zugrunde liegt.

Eingeschränkte mitochondriale Funktion kann Abnormitäten in Tumor-Supressor-Genen und Onkogenen induzieren. Zum Beispiel kann behinderte mitochondriale Funktion Abnormitäten in p53-Aktivierung hinduzieren, während Abnormitäten in p53-Expression und –Regulation weitere mitochondriale Funktion behindern kann. Die Funktion des pRB-Tumor-Supressor-Protein, das den Zell-Zyklus kontrolliert, ist auf für ROS Produktion durch den Redox-Zustand der Zelle empfindlich. Erhöhte Expression der MYC- und Ras-Onkogene können mit den Voraussetzungen von Substratkettenphosphorylierung zur Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit der Zelle in Verbindung gebracht werden. Daher können die zahlreichen Gendefekte, die in verschiedenen Krebsen gefunden werden, als sekundäre Konsequenzen von mitochondrialer Dysfunktion entstehen.

Die Kalzium-Homoöstase ist auch von mitochondrialer Funktion abhängig. Es zeigt sich, dass die Kalzium Homöostase für die Genauigkeit der Mitose, der Spindel-Vereinigung, der Abzweigung der Schwester-Chromosom und der Zytokinase essentiell ist. Störungen in der zytoplasmatischen Kalzium-Homöostase, welche als Konsequenz von mitochondrialer Dysfunktion entsteht, könnte zu Abnormitäten bei chromosomaler Segregation14 während der Mitose beitragen. Diese Forschungsergebnisse legen nahe, dass die zahlreichen chromosomalen Abnormitäten, welche in Krebszellen gefunden werden, als Konsequenz von mitochondrialem Schaden entstehen können.

Neuere Studien an Hefe zeigen, dass ein Schaden des inneren mitochondrialen Zellmembran-Potentials (∆ᴪm), als Folge des Verlustes der mtDNA, die Funktion von verschiedenen nuklearen Eisen-Schwefel-abhängigen DNA-Reparatur-Enzymen verändert, einschließlich Rad3-Helicase, der Pri2-Primase und der Ntg2-Glycase. Abnormitäten in diesen DNA-Reparatur-Enzymen tragen zu dem Verlust des Heterogzygosität-(LOH15)-Phänotyps in spezifischen Genen der betroffenen Hefezellen bei. Diese Forschungen weisen darauf hin, dass LOH, der üblicherweise in vielen Genen von Krebszellen beobachtet wird, auch mit mitochondrialer Fehlfunktion in Zusammenhang steht. Diese Beobachtungen weisen alle zusammen darauf hin, dass die Menge an genetischen Abnormitäten, welche in Krebszellen gefunden werden - von punktuellen Mutationen bis massiven chromosomalen strukturellen Veränderungen - aus der Folge von Schäden an Struktur und Funktion von Mitochondrien hervorgehen können.

Die Beeinträchtigung von mitochondrialer Funktion kann auf längerdauernde Gewebe-Irritation einschließlich einer Unterbrechung von morphogenetischen Feldern erfolgen. Dieser tumorgenetische Prozess kann in Zellen jeden Gewebes eingeleitet werden, die zu mitochondrialem-Stress-Signalisieren befähigt sind, welches die Folge längerer Zeiten von wiederholtem sub-letalen respiratorischen Schaden ist. Die Anhäufung von mitochondrialem Schaden über Zeit ist es, was letztlich zur Formation maligner Tumoren führt. Erworbene Abnormitäten an der mitochondrialen Funktion würden eine Art bösartigen Zyklus hervorrufen, wo die beeinträchtigte mitochondriale Energieproduktion eine Genom-Instabilität und -Mutabilität initiiert, was dann mitochondriale Dysfunktion und Energiemangel usw. in einer kumulativen Weise beschleunigt. Eine erhöhte Abhängigkeit von Substratkettenphosphorylierung zwecks Überleben würde jeder Runde von metabolischem und genetischem Schaden folgen und auf diese Weise unkontrolliertes Zellwachstum und schließlich malignes Neoplasma initiieren. Mit anderen Worten können sich die gut dokumentierten Tumor-assoziierten Abnormitäten in den Onkogenen, Tumor-Suppressor-Genen und die chromosomaler Imbalance als eine Folge der fortschreitenden Schädigung der mitochondrialen Funktion ergeben.

Mitochondriale Dysfunktion als Folge viraler Infektion

Viren sind schon lange als Ursache für manche Krebse anerkannt. Es ist interessant, dass sich mehrere Krebs-assoziierte Viren in den Mitochondrien lokalisieren oder akkumulieren. Virale Veränderungen von mitochondrialer Funktion könnten mit der Zeit den Energie-Metabolismus potentiell unterbrechen und auf diese Weise die Expression von Tumor-Suppressor-Genen und Onkogenen verändern. Viren, die die mitochondriale Funktion beeinflussen können, schließen Rous Sarkoma Virus, Epstein-Barr Virus (EBV), Kaposi´s Sarkoma-assoziierten Herpesvirus (KSHV), human papilloma-Virus (HPV), Hepatitis-B-Virus (HBV), Hepatitis-C-Virus (HCV) und den humanen T-Zell-Leukämie-Virus Typ 1 (HTLV-1) mit ein. Obwohl die virale Unterbrechung der mitochondrialen Funktion die meisten Zellen durch Apoptose als Folge einer akuten Entzündung töten würde, werden diejenigen infizierten Zellen überleben, welche die Substratkettenphosphorylierung hochregulieren und in der Folge einer chronischen Infektion potentiell ein Neoplasma produzieren können. Tatsächlich blockiert das Hepatitis-B-x-Protein (HBx) die HIF-1α-Ubiqutination16 und steigert so die Stabilität und Aktivität von HIF-α in einer Hypoxie-unabhängigen Art. Von Veränderungen der Kalzium Homöostase, der ROS-Produktion und der Expression NF-kB und HIF-α muss auch erwartet werden, dass sie den metabolischen Zustand verändern, wie es schon früher bei viralen Infekten gefunden worden war. Diesbezüglich ist es interessant, dass Karzinogenese – egal ob von viraler Infektion oder von einer chemischen Substanz ausgehend - ähnliche Beeinträchtigung der respiratorischen Enzymaktivität und mitochondrialer Funktion hervorruft. Auf diese Art können Viren potentiell Krebs verursachen, indem sie Zellatmung durch Substratkettenphosphorylierung in den infizierten Zellen ersetzen. Veränderungen in der Expression von Tumor-Suppressor-Genen und Onkogenen werden - der hier präsentierten Hypothese zufolge - diesen Energie-Umwandlungen folgen.

Mitochondriale Suppression von Tumorigenizität (Tumorentstehung)

Während der Mutator-Phänotyp von Krebs mit behinderter mitochondrialer Funktion in Zusammenhang steht, kann eine normale mitochondriale Funktion auch Tumorentstehung unterdrücken. Es ist gut dokumentiert, dass Tumorentstehung unterdrückt werden kann, wenn Zytoplasma von enukleierten normalen Zellen mit Tumorzellen fusioniert werden um Zybride zu formen, was nahelegt, dass normale Mitochondrien den tumorigenetischen Phänotyp unterdrücken können. Singh und Mitarbeiter stellten zusätzliche Beweise für die Rolle der Mitochondrien zur Suppression von Tumorigenizität zur Verfügung, indem sie zeigten, dass der exogene Transfer von wilden Typen von Mitochondrien zu Zellen mit beschädigten Mitochondrien (rho0- Zellen) die veränderte Expression von APE1-multifunktionalem-Protein und dem tumorigenischen Phänotyp rückgängig machen konnte. Anderseits kann die Einführung von mitochondrialen Mutationen den anti-tumorigenischen Effekt von normalen Mitochondrien in Zybriden rückgängig machen. Es ist auch gut dokumentiert, dass Kerne von Krebszellen zurück-programmiert werden können, um normales Gewebe zu formen, wenn sie in normales Zytoplasma transplantiert wurden, trotz der weiterhin vorhandenen Präsenz von Tumor-assoziierten Genom-Defekten in den Zellen, von denen sie stammen. Diese Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass nukleare Genveränderungen alleine nicht für die Entstehung von Krebs herhalten können, und heben die dynamische Rolle der Mitochondrien in der epigenetischen17 Regulation der Karzinogenese hervor.

Es wird erwartet, dass die Anwesenheit von normalen Mitochondrien in Tumorzellen den zellulären Redox-Status wiederherstellen, die RTG-Antwort abschalten und die Notwendigkeit für Glycolyse (Warburg-Effekt) und Glutaminolyse reduzieren oder eliminieren würde, um die Lebensfähigkeit der Zelle aufrecht zu erhalten. Mit anderen Worten würde die normale mitochondriale Funktion die Expression des differenzierten Zustandes ermöglichen und so den tumorigenetischen und undifferenzierten Zustand unterdrücken. Dieses Konzept kann die Verbindung zwischen der mitochondrialen Funktion zu der lange vorherrschenden Kontroverse über die zelluläre Differenzierung und Tumorigenizität herstellen. Zellatmung ist für das Auftreten und die Aufrechterhaltung von Differenzierung notwendig, während der Verlust von Atmung zu Glycolyse, Dedifferenzierung und zu zügelloser Proliferation führt. Diese Beobachtungen stehen in Übereinstimmung mit der hier präsentierten generellen Hypothese, dass die prolongierte Beeinträchtigung des mitochondrialen Energie-Stoffwechsels der Karzinogenese zugrunde liegt. Neue Studien sind notwendig, um den Grad zu etablieren, zu welchem die zelluläre Energie-Balance in Zybriden und in reprogrammierten Tumorzellen wiederhergestellt wird.

Der Zusammenhang zwischen den Fähigkeiten von Krebs und beeinträchtigtem Energie-Metabolismus Obwohl der Mutator-Phänotyp als das essentielle Charakteristikum angesehen wurde, um die sechs Markenzeichen von Krebs festzulegen, blieb der Weg kaum definiert, wie die gewonnen Fähigkeit von Krebs spezifisch mit dem behinderten Energie-Metabolismus in Zusammenhang steht. Kromer und Pouyssegur haben kürzlich einen Überblick geliefert, wie die Markenzeichen von Krebs mit signalisierenden Kaskaden und der metabolischen Reprogrammierung von Krebszellen in Zusammenhang gebracht werden können. Da die erworbenen Fähigkeiten von Selbstversorgung, Wachstumssignalen und der Unempfindlichkeit zu Wachstums-inhibitorischen (antiwachstums-) Signalen und unbegrenztem Reduplikations-Potential ähnlich sind, können diese Eigenschaften zu einer Gruppe zusammengefasst und gemeinsam diskutiert werden. Die erworbenen Fähigkeiten, dem programmierten Zelltod zu entkommen, die Angiogenese und die Metastasen können separat diskutiert werden.

Abnormitäten in Wachstumssignalen und unbegrenztes Reduplikations-Potential

Das zentrale Konzept, die Abnormitäten an Wachstumssignalen und replikativem Potential mit dem behinderten Energie-Metabolismus in Zusammenhang zu bringen, ist es, dass eher die Proliferation als der Ruhezustand der Normalzustand (engl.: default state) sowohl bei Mikroorganismen als auch Vielzellern ist. Der zelluläre Normalzustand ist der Zustand, in dem Zellen gefunden werden, wenn sie von jeder aktiven Kontrolle befreit sind. Atmende Zellen in reifen Organsystemen sind hauptsächlich deswegen ruhend, weil ihr replikatives Potential unter negativer Kontrolle durch die Aktion von Tumor-Supressor-Genen, wie dem p53 und dem Retinoblastoma-Protein (pRB) steht. Da die Funktion von p53 mit Zellatmung in Verbindung steht, wird eine länger dauernde Schädigung der Atmung die Funktion von p53 graduell reduzieren, und so die negative Kontrolle von p53 und von anderen Suppressor-Genen für Zellproliferation inaktivieren.

Eine persistierende Schädigung der respiratorischen Funktion wird die RTG Antwort auslösen, was für die Hinaufregulierung der Wege zur Glycolyse und Glutaminolyse notwendig ist, um das ∆G´ATP zwecks Lebensfähigkeit aufrecht zu erhalten. Die RTG Antwort wird MYC, Ras, HIF-1α, Akt, m-Tor, etc. aktivieren, was notwendig ist, um die Hinaufregulation von Substratkettenphosphorylierung zu ermöglichen und aufrecht zu erhalten. Zusätzlich dazu, dass die Aufnahme und der Metabolismus von alternativen Energiesubstraten durch Substratkettenphosphorylierung begünstigt werden, stimulieren MYC und Ras weiter die Zellproliferation. Teil dieses Mechanismus schließt auch die Inaktivierung von pRB mit ein, dessen Funktion von mitochondrialen Aktivitäten und dem zellulären Redox-Zustand abhängig ist. Unterbrechung des pRB-Signal-Pfades wird zu Zellproliferation und Neoplasie beitragen. Daher können die Abnormitäten im Wachstum-Signalisieren und das Potential zur uneingeschränkten Replikation bei Tumorzellen direkt mit den Voraussetzungen für Glycolyse und Glutaminolyse und letztlich mit geschädigter Zellatmung in Verbindung gebracht werden.

Es ist interessant, dass das RTG-Signalisieren auch der Ausdehnung der replikativen Lebensspanne bei keimender Hefe zugrunde liegt. Die Lebensspanne von Hefe wird durch die Anzahl der Keime festgelegt, welche eine Mutterzelle vor ihrem Tod produziert. Je größer der Verlust von mitochondrialer Funktion, umso größer ist die Induktion der RTG Antwort und umso größer die Langlebigkeit (Keim-Produktion). Da die mitochondriale Funktion mit dem Lebensalter nachlässt, wird die Substratkettenphosphorylierung notwendig, um die mangelnde Energie aus der Atmung zu kompensieren, wenn eine Zelle am Leben bleiben möchte. Eine größere Abhängigkeit von der Substratkettenphosphorylierung wird eine onkogene Expression und ungebremste Proliferation induzieren was teilweise der verlängerten Langlebigkeit von Hefe zugrunde liegen könnte. Wenn dieser Prozess jedoch bei Säuger-Zellen stattfindet, wird dieser Vorgang als Neoplasia oder „neues Wachstum18“ bezeichnet. Wir gehen davon aus, dass die replikative Ausdehnung der Lebensspanne bei Hefe und das Potential zu unbegrenzter Replikation bei Tumorzellen wegen der gemeinsamen bioenergetischen Mechanismen, einschließlich eingeschränkter mitochondrialer Funktion miteinander verknüpft sind.

Die Verbindung zwischen Telomerase und mitochondrialer Funktion

Jüngste Beweise deuten darauf hin, dass Telomerase, ein Ribonuklein-Komplex, eine Rolle in der Tumorprogression spielt. Obwohl die Daten ein wenig spärlich sind, weisen sie darauf hin, dass die mitochondriale Dysfunktion der Umsiedelung der Teleomerase von den Mitochondrien, wo sie eine protektive Rolle zu haben scheint, zum Nukleus zugrunde liegt, wo sie die Integrität der Telomere aufrecht erhält, welche für das Potential der unbegrenzten Replikation notwendig ist. Interessanterweise ist die Telomerase-Aktivität während der frühen embryonalen Entwicklung hoch, wenn anaerobe Glycolyse und Zell-Proliferation hoch sind, aber im Gewebe von Erwachsenen ist die Telomerase-Expression unterdrückt, wenn zelluläre Energie hauptsächlich von Respiration stammt. Weitere Studien werden notwendig sein, um festzustellen, wie die Veränderungen der Telomerase-Expression und ihrer subzellulären Lokalisation mit mitochondrialer Dysfunktion, erhöhter Substratkettenphosphorylierung und mit der unbegrenzten Replikation von Tumorzellen in Zusammenhang stehen.

Das Entkommen des Programmierten Zelltodes

Apoptose ist ein koordinierter Prozess, der den Zelltod infolge von einer Vielfalt von zellulären Insulten initiiert. Ein Schaden an mitochondrialer Energie-Produktion ist eine Art von Insult, der die apoptotische Kaskade auslösen kann, was letztlich die Freisetzung von mitochondrialem Cytochrom C, die Aktivierung von zellulären Caspasen19 und den Tod mit einbezieht. Im Gegensatz zu normalen Zellen ist die gewonnene Resistenz gegen Apoptose eine Kennzeichnung der meisten Arten von Krebszellen. Das Entkommen der Apoptose ist eine vorhersagbare physiologische Antwort von Tumorzellen, die die Substratkettenphosphorylierung zur Energieproduktion nach respiratorischem Schaden während des längerdauernden Prozesses der Karzinogenese hinaufreguliert. Nur diejenigen Zellen, die zum graduellen Übergang der Energiegewinnung von Atmung zu Substratketten- Phosphorylierung als Antwort auf respiratorische Schädigung befähigt sind, werden fähig sein, der Apoptose zu entkommen. Zellen, die zu dieser Energie-Verschiebung unfähig sind, werden sterben und werden daher nie zu Tumorzellen.

Zahlreiche Forschungsergebnisse zeigen, dass die Gene und die Signal-Pfade, welche benötigt werden, um Substratkettenphosphorylierung hinaufzuregulieren und zu erhalten selbst anti-apoptotisch sind. Zum Beispiel benötigt eine anhaltende Glycolyse die Teilnahme von mTOR, MYC, Ras, HIF-1α und den IGF-1/PI3K/Akt-Signal-Pfad. Die Hinaufregulierung dieser Gene und Pfade, zusammen mit der Inaktivierung von Tumor-Suppressor-Genen wie p53, welches notwendig ist, um Apoptose einzuleiten, wird die apoptotische Signal-Kaskade ausschalten und so den programmierten Zelltod verhindern.

Abnormitäten im mitochondrialen Membran-Potential (∆ᴪm) kann auch die Expression von bekannten anti-apoptotischen Genen induzieren (BcI2 und CcI-Xl). Tumorzellen werden fortsetzen, der Apoptose zu entkommen, solange sie Zugang zu Glucose und Glutamin haben, die zur Aufrechterhaltung der Substratkettenphosphorylierung benötigt werden. Glycolytische Tumorzellen können jedoch bereitwillig einen robusten apoptotischen Phänotyp exprimieren, wenn ihr Glucose-Nachschub aufs Korn genommen wird. Dies wurde bei experimentalen Gehirntumoren klar demonstriert, als Kalorie-Restriktion angewandt wurde. So kann das Entkommen der Apoptose bei Tumorzellen direkt mit Abhängigkeit von Substratkettenphosphorylierung in Verbindung gebracht werden, die selbst eine Folge von geschädigter respiratorischer Funktion ist.

Nachhaltige Vaskularität (Angiogenese)

Angiogenese beinhaltet Neovaskularisation oder die Bildung von neuen Kapillaren aus existierenden Blutgefäßen und ist mit dem Prozess der Entzündung des Gewebes, der Wundheilung und der Tumorgenese verbunden. Angiogenese ist für die meisten Tumore erforderlich, um über eine ungefähre Größe von 0,2 – 2,0 mm hinaus zu wachsen. Vaskularisation ist notwendig, um den Tumor mit essentiellen Energie-Nährstoffen zu versorgen, Glucose und Glutamin inkludiert, und um giftige Abfallprodukte des Tumors wie Milchsäure und Ammoniak zu entfernen. Zusätzlich zu seiner Rolle für das Hochfahren von Glycolyse als Reaktion auf Hypoxie ist HIF-1α auch der hauptsächliche Transskriptionsfaktor für den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF), welcher Angiogenese stimuliert. HIF-1α ist auch Teil des IGF-1/PI3K/Akt- Signalisierungs-Pfad, der auch indirekt die Expression von β FGF beeinflusst, einem weiteren entscheidenden Angiogenese-Wachstumsfaktor. Auf diese Weise kann die nachhaltige Vaskularität auf mechanischer Basis mit den metabolischen Erfordernissen für die Substratkettenphosphorylierung in Verbindung gesetzt werden, die für das Überleben von Tumorzellen notwendig ist.

Invasion und Metastasierung

Metastasierung ist der allgemeine Ausdruck für das Ausbreiten von Krebszellen zu umgebendem Gewebe und zu entfernten Organen und ist eine vorrangige Ursache für das Leiden und für die Sterblichkeit der Krebserkrankung. Metastasierung beinhaltet eine komplexe Serie von aneinandergereihten und zusammenhängenden Schritten. Um die metastatische Kaskade zu vervollständigen, müssen sich Krebszellen vom ursprünglichen Tumor lösen, in die Zirkulation und in das lymphatische System eindringen, aus einem entfernten Kapillar-Bett austreten und in entlegene Organe eindringen und proliferieren. Metastatische Zellen etablieren auch ein Mikro-Milieu, welches Angiogenese und Proliferation fördert, was in makroskopische, bösartige sekundäre Tumore resultiert. Eine Schwierigkeit, die molekularen Mechanismen besser charakterisieren zu können, stammt zum Großteil von dem Fehlen von Tiermodellen, die alle Schritte der Kaskade zeigen. Tumorzellen, welche von Natur aus metastatisch sind, würden keine intravenöse Injektion benötigen, um den metastatischen Phänotyp hervorzubringen. In vitro-Modelle bilden wiederum nicht all die Schritte nach, die für die systemische Metastasierung in vivo notwendig sind. Obwohl die hauptsächlichen Schritte der Metastasierung gut dokumentiert sind, ist der Prozess weitgehend unbekannt, durch welchen metastatische Zellen von innerhalb der nicht metastasierten Populationen des primären Tumors herauskommen.

Mehrere Mechanismen sind hervorgebracht worden, um für das Entstehen der Metastasen zu erklären. Die epithelial-mesenchymale Transition (EMT) postuliert, dass metastatische Zellen aus epithelialen Zellen durch eine schrittweise Akkumulierung von Genmutationen entstehen, die schließlich eine epitheliale Zelle in eine Tumorzelle mit mesenchymalen Eigenschaften transformieren. Die Idee stammt aus Forschungsergebnissen, dass viele Krebse generell in epithelialen Geweben entstehen, wo während der Tumorprogression Abnormitäten in Zell-Zell und Zell-Matrix-Interaktionen vorkommen. Schließlich kommen neoplastische Zellen heraus, die mesenchymal erscheinen, welchen es an Zell-Zell-Adhäsion mangelt und die dysmorphe Gestalt haben. Diese transformierten epithelialen Zellen akquirieren schließlich die vielfältigen Effektor-Mechanismen von Metastasen. Jüngste Studien legen nahe, das die ektopische (verlagerte) Co-Expression von nur zwei Genen alles sein könnte, was notwendig ist, um EMT in Gliomen zu ermöglichen.

Die Makrophagen-Hypothese von Metastasen legt nahe, dass metastatische Zellen auf eine Fusion mit Makrophagen oder mit hämatopoetischen Zellen folgen, die aus dem Knochenmark stammen. Es ist gut dokumentiert, dass metastatische Krebszellen, aus einer Vielfalt von Geweben stammend, eine Vielzahl von Eigenschaften von Makrophagen oder Zellen aus der myeloischen Linie besitzen, einschließlich Phagozytose und Fusogenizität. Makrophagen und andere myeloide Zelltypen sind bereits genetisch programmiert, durch Gewebe ein- und auszudringen. Viele der normalen Verhaltensweisen der Makrophagen führen jeden einzelnen Schritt der metastatischen Kaskade aus. Fusionen der myeloiden Zelle (Makrophagen) mit Tumorzellen könnte eine Hybrid-Zelle hervorbringen, die die replikative Kapazität der Tumorzlle und die Fähigkeiten der Makrophagen besitzt, einschließlich die invasive und inflammatorische Eigenschaft. Da Myelid-Zellen ebenfalls Teil des Immunsystems sind, wäre das Entkommen aus der Immun-Überwachung ein weiteres zu erwartendes Charakteristikum von metastatischen Zellen, wenn sie aus makrophagenartigen Zellen herrühren. Tatsächlich können metastatische Melanomzellen lebende T-Zellen phagozytieren, die eigentlich die Tumorzellen abtöten sollten.

Fusionen unter metastatischen Myeloid-Zellen am primären Tumorort könnten durch Reprogrammierungs-Strategien auch funktionierende epitheliale Zellen an sekundären Orten hervorbringen, indem sie die Fähigkeit haben, die histologischen Charakteristiken des ursprünglichen Gewebes nachzubilden. Die Makrophagen-Fusions-Hypothese würde auch mit den Rollen der hämatopoetischen Stammzellen in der metastatischen Nische zusammenpassen. Während die Fusions-Hypothese attraktiv ist, würde dies eine Ausnahme zu den Beobachtungen darstellen, dass unterdrückte Tumorigenizität auf Hybridisierung zwischen normalen und Krebszellen folgt, wenn auch manche Ausnahmen berichtet wurden. Wie auch immer, weder die EMT- noch die Makrophagen-Fusions-Hypothese stellt einen Zusammenhang der Metastasen zum Warburg-Effekt oder zu geschädigtem Energie-Metabolismus her.

Jüngste Entdeckungen über Abnormitäten von Cardiolipin an systemisch metastatischen Tumorzellen mit Makrophagen-Eigenschaften bei Mäusen können eine Verbindung mit geschädigter Zellatmung in diesen Zellen herstellen. Die meisten Gewebe enthalten ansässige Phagozyten als Teil ihrer histologischen Architektur oder Stroma. Tumorassoziierte Makrophagen (TAM) werden auch zu einem hauptsächlichen Zelltyp in vielen Krebsen. Während die TAM die invasiven und metastatischen Eigenschaften von Tumorzellen begünstigen können, können metastatische Tumorzellen auch einige Eigenschaften der TAM hervorbringen.

Schädigung der respiratorischen Kapazität der ansässigen Gewebe-Phagozyten, TAM oder makrophagischen Hybriden würde die RTG Antwort auslösen, die Abhängigkeit zu Substratkettenphosphorylierung zur Energiegewinnung erzwingen und schließlich, nach einiger Zeit, zu dysreguliertem Wachstum und Gen-Instabilität führen, wie es in der allgemeinen Hypothese beschrieben ist. Metastatisches Verhalten wäre ein zu erwartendes Resultat, als Folge von geschädigter Zellatmungsfunktion bei Zellen von hämatopoetischem und myeloischem Typus, da Makrophagen bereits mesenchymale Zelllen sind, die die Kapazität dazu beinhalten, die extrazelluläre Matrix abzubauen, aus dem Blutfluss in und aus Gewebe zu gelangen, durch Gewebe zu migrieren und in hypoxischer Umgebung zu überleben. Proben von menschlichen metastatischen Krebsen mit Eigenschaften von makrophagen-ähnlichen Zellen schließen Gehirn, Brust, Lunge, Haut, Magen, Colon, Pankreas, Blase, Niere, Ovarien und Muskel mit ein. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die makrophagenartigen Eigenschaften in den Tumorzellen selbst exprimiert sind und dürfen nicht mit ähnlichen Eigenschaften in den nicht-neoplastischen TAM verwechselt werden, welche auch in Tumoren präsent sind und Tumorprogression erleichtern können. Eine schlechte Prognose ist im Allgemeinen mit diesen Typen von Krebs verbunden, die Charakteristiken von Makrophagen zeigen. Daher würde die Schädigung der respiratorischen Kapazität von myeloischen und makrophagenartigen Zellen „Schurken-Makrophagen“ hervorbringen, was zu Krebs mit dem höchsten metastatischen Verhalten führt.

Das Überangebot von Molekülen an der Zelloberfläche, von welchem auch angenommen wird, dass es am metastatischen Verhalten von Tumorzellen teilhat, ist auch in Myelidzellen, speziell in Makrophagen exprimiert. Ein kräftiger Warburg-Effekt in menschlichen metastatischen Läsionen, entdeckt mittels kombinierter 18F-Flourodeoxyglucose-Emmissions-Tomographie, zeigt an, dass metastatische Zellen einen geschädigten Energie-Metabolismus haben, wie der der meisten Krebszellen. Auf diese Weise können Invasion und Metastasen mit geschädigtem Energie-Metabolismus in Verbindung gebracht werden, wenn diese Schädigung in Zellen des hämatopoetischen oder myeloiden Ursprungs stattfindet.

Die Zusammenhänge verbinden

Der Weg von normaler Zell-Physiologie zu malignem Verhalten, wo alle hauptsächlichen Markenzeichen zum Ausdruck kommen, ist in Abbildung 2 dargestellt und basiert auf der Beweislage, die zuvor dargestellt worden ist. Jeder unspezifische Umstand, der die oxydative Phosphorylierung einer Zelle schädigt, der aber nicht schlimm genug ist, um Apoptose einzuleiten, kann potentiell den Pfad zu bösartigem Krebs einleiten. Einige der vielen unspezifischen Umstände, die zur Karzinogenese beitragen, können Entzündung, Karzinogene, Strahlung (ionisierende oder ultraviolett), intermittierende Hypoxie, selten Keimlinien-Mutationen, virale Infektionen und Unterbrechung von morphogenetischen Feldern von Gewebe miteinschließen. Jede dieser Umstände kann die Struktur und die Funktion der Mitochondrien schädigen und so eine spezifische RTG Antwort in der geschädigten Zelle auslösen. Wenn die mitochondriale Schädigung fortbesteht, wird die RTG-Antwort fortbestehen. Nicht korrigierter mitochondrialer Schaden wird eine kontinuierliche kompensatorische Energie-Antwort mit Substratkettenphosphorylierung erfordern, um das ∆G´ATP von ungefähr -56 kJ/mol zwecks Lebensfähigkeit aufrecht zu erhalten. Tumorprogression hängt mit erhöhter Abhängigkeit zu Substratkettenphosphorylierung zusammen, welche mit der Zeit irreversibel wird. Da die Integrität des Kern-Genoms von der Effizienz der mitochondrialen Energieproduktion abhängig ist, wird die fortgesetzte Schädigung der mitochondrialen Energie-Produktion schrittweise die nukleare Genom-Integrität unterminieren, was zu einem Mutator-Phänotyp und zu einer Vielzahl von somatischen Mutationen führt. Die Aktivierung von Oncogenen, die Suppression von Tumor-Suppressor-Genen und Aneuploidie20 wird die Folge von fortdauernder mitochondrialer Dysfunktion sein. Diese Gen-Abnormitäten werden erneut zu mitochondrialer Dysfunktion beitragen, während sie auch diejenigen Pfade fördern, welche dazu benötigt werden, die Substratkettenphosphorylierung hinauf zu regulieren und aufrecht zu erhalten. Je größer die Abhängigkeit von der Substratkettenphosphorylierung über die Zeit, umso größer wird der Grad der Malignität sein.

Figure 2

Seyfried Bild 2

Linking the hallmarks of cancer to impaired energy metabolism. See text for discussion. SLP and OxPhos represent substrate level phosphorylation and oxidative phosphorylation, respectively. The progressive damage to mitochondria during carcinogenesis is illustrated with a change in shape..

Schädigung der respiratorischen Kapazität von myeloischen Zellen im Gewebe kann auch invasive und metastatische Eigenschaften hervorbringen, entsprechend der Makrophagen-Hypothese von Metastasen. Dieses metabolische Szenario kann für alle hauptsächlichen erworbenen Charakteristika von Krebs verantwortlich gemacht werden, einschließlich des Warburg-Effekts.

Einbeziehung der Hypothese für das Krebs-Management

Wenn Krebs primär eine Erkrankung des Energie-Stoffwechsels ist, wie es hier betrachtet wird, dann können vernünftige Zugänge zum Krebs-Management in Therapien gefunden werden, die spezifisch auf den Energie-Metabolismus abzielen. Auch wenn Therapien, welche die Mitochondrien ersetzen, im Prinzip einen normaleren Energie-Metabolismus und einen differenzierteren Zustand in Krebszellen wiederherstellen könnten, ist es unwahrscheinlich, dass dieser therapeutische Ansatz in absehbarer Zukunft verfügbar sein würde. Dennoch zeigen zahlreiche Studien, dass eine diätetische Energie-Restriktion eine generelle metabolische Therapie ist, welche auf natürliche Weise den Spiegel von zirkulierender Glucose herabsetzt und Wachstum und Progression in zahlreichen Tumorarten, inklusive Brust, Gehirn, Colon, Pankreas, Lunge und Prostata signifikant herabsetzt. Der Einfluss von Energie-Einschränkung auf Tumorwachstum kann jedoch von Umständen des Wirtes und dem Ort des Tumorwachstums abhängen, da Energie-Restriktion beim Reduzieren von menschlichem U87 Gliom effektiv ist, wenn es orthotopisch im Gehirn von immundeficienten SCID-Mäusen gewachsen ist, aber nicht wenn es außerhalb des Gehirns in nicht obesischen diabetischen SCID-Mäusen gewachsen ist. Nichtsdestoweniger zeigt die Masse der Beweise, dass diätetischen Energie-Restriktion die Wachstumsrate von vielen Tumoren verzögern kann, ungeachtet der spezifischen genetischen Defekte innerhalb der Tumore.

Auf Glucose abzielen

Reduzierte Erhältlichkeit von Glucose wird die aerobe Glycolyse und den Pentose-Phosphat-Zyklus aufs Korn nehmen, Pfade, die für das Überleben und die Proliferation vieler Arten von Tumorzellen notwendig ist. Diätetische Energie-Restriktion zielt spezifisch auf den IGF-1/PI3K/Akt/HIF-1α Signal-Pfad ab, der verschiedenen Krebs-Kennzeichen zugrunde liegt, einschließlich Zell-Proliferation, Entkommen von Apoptose, und Angiogenese. Die Kalorien-Reduktion verursacht auch eine gleichzeitige herunter-Regulierung von multiplen Genen und metabolischen Pfaden, die die Glycolyse regulieren. Dies ist wichtig, da gesteigerte Glycolyse für das rasche Wachstum und das Überleben vieler Tumorzellen benötigt wird. Zusätzlich dazu haben jüngste Untersuchungen ergeben, dass ein großer Anteil von Gliomen Mutationen im TCA-Zyklus-Gen, Isozitrat-Dehydrogenase (IDH1) entwickelt haben. Von solchen Mutationen kann man erwarten, dass sie die Funktion des TCA-Zyklus limitieren und so die Abhängigkeit dieser Tumore von der Glycolyse erhöhen. Tumore mit diesen Arten von Mutationen könnten besonders empfindlich auf das Management durch Energie-Restriktion sein. Daher kann die diätetische Energie- oder Kalorien-Restriktion als eine nicht-toxische metabolische Therapie mit breitem Spektrum betrachtet werden, welche multiple Signal-Pfade behindert, die für die Progression von malignen Tumoren benötigt werden, ungeachtet der Gewebe-Herkunft.

Neben der Herabsetzung des Spiegels an zirkulierender Glukose, erhöht die diätetische Restriktion den Spiegel von zirkulierenden Fettsäuren und Ketonkörper (β-hydroxy-butarat und aceto-acetat). Fette und speziell Ketonkörper können Glukose als einen primären metabolischen Treibstoff unter Kalorie-Restriktion ersetzen. Dies ist eine konservierte physiologische Anpassung die sich entwickelt hatte, um in Zeiten des Hungerns Proteine zu sparen. Viele Tumore haben jedoch Abnormitäten in den Genen und Enzymen, die für die Verstoffwechslung von Ketonkörpern zur Energiegewinnung nötig sind. Der Umstieg von Kohlenhydraten zu Ketonen als Energiequelle ist eine einfache Methode, den Energie-Metabolismus bei Glycolyse-abhängigen Tumorzellen anzugehen, während die metabolische Effizienz von normalen Zellen verbessert wird. Das Wechseln vom Metabolismus der Glucose zum Metabolismus der Ketonkörper zur Energiegewinnung wird weitgehend durch die Veränderung in den zirkulierenden Insulin- und Glucagon-Spiegeln verursacht, Schlüsselhormone, die den Energie-Metabolismus vermitteln. Insulin, das die Glycolyse stimuliert, ist unter Energie-Restriktion vermindert, während Glucagon erhöht wird, welches die Glycolyse hindert und Fett mobilisiert. Die Reduktion von Glucose vermindert nicht nur das Insulin, sondern vermindert auch den Spiegel von zirkulierendem IGF-1, welcher notwendig ist, um den Metabolismus und das Wachstum von Tumorzellen anzutreiben. Glucocorticoide, welche die Glucagon-Aktion und die Stress-Antwort erhöhen, sind auch unter diätetischer Energie-Restriktion erhöht. Der Wechsel in den Spiegeln dieser metabolischen Hormone würde auf die Tumorzellen größeren physiologischen Stress als auf die normalen Zellen schaffen, weil den Tumorzellen die metabolische Flexibilität aufgrund von akkumulierten genetischen Mutationen fehlt.

Schlussfolgerungen, wonach Tumorzellen einen Wachstumsvorteil gegenüber normalen Zellen haben, sind nicht mit den Prinzipien der evolutionären Biologie vereinbar. Obwohl als Wachstumsvorteil betrachtet, ist das dysregulierte Wachstum von Tumorzellen tatsächlich ein abnormaler Phänotyp. Wie können Tumorzellen, die multiple Mutationen aufweisen, „fitter“ oder „fortgeschrittener“ sein als normale Zellen, die flexible Genome, normale respiratorische Kapazität und adaptive Vielseitigkeit haben? Die kurze Antwort ist es, dass Sie es nicht sind. Normale Zellen können durch normale Wundheilung viel schneller als Tumorzellen wachsen. Metabolismus von Ketonkörpern und Fettsäuren für Energie erfordert Integrität der inneren mitochondrialen Membran und effiziente Atmung, was bei Tumorzellen weitgehend fehlt. Im Gegensatz zu Tumorzellen haben sich normale Zellen dazu entwickelt, extreme Veränderungen in der Umwelt zu überleben und können bereitwillig zum Fettstoffwechsel wechseln, wenn Glucose Mangelware wird. Die Expression von Glukose Transporter ist in Gehirn-Tumor-Zellen von Mäusen höher als in benachbarten Zellen, wenn der zirkulierende Glukose-Spiegel hoch ist, aber der Transporter-Phänotyp dieser Zellenwird unter diätetischer Energie-Restriktion umgekehrt. Diese Ergebnisse kehren die unterschiedlichen Antworten auf Energie-Stress zwischen den metabolisch inkompetenten und den kompetenten normalen Zellen hervor. Demzufolge schützt ein Wechsel des Energie-Metabolismus von Glucose zu Ketonkörpern die respiratorisch kompetenten normalen Zellen, während er die genetisch defekten und respiratorisch behinderten Tumorzellen angreift, welche viel mehr von Glycolyse fürs Überleben abhängen als normale Zellen.

Ein Beweis für das Konzept der metabolischen Krebstherapie wurde für das Management von malignen Astrozytomen in Mäusen und bei malignen Gliomen bei Kindern veranschaulicht. Prostata- und Magenkrebs scheinen ebenfalls durch den Gebrauch von ketogener Diät mit niedrigen Kohlenhydraten lenkbar zu sein. Frische Studien zeigen, dass diätetische Energie-Restriktion die Phosphorylierung der Adenosid-Monophosphat-Kinase (AMPK) fördert, was Apoptose in Glycolyse-abhängigen Astrozytom-Zellen induziert, aber normale Gehirnzellen vor dem Tode schützt. Dies illustriert neuerlich die unterschiedliche Antwort von normalen Zellen und Tumorzellen auf Energie-Stress.

Eine mögliche Sorge könnte es sein, dass jegliche Therapie, welche Nahrungsaufnahme und Körpergewicht reduziert, jemandem empfohlen werden kann, der wegen Krebs-Kachexie bereits Körpergewicht verliert. Im Allgemeinen schließt Krebs-Kachexie Anorexie, Gewichtabnahme, Muskelatrophie und Anämie mit ein. Obwohl manche Krebspatienten adipös sein könnten, ist rascher Gewichtsverlust bezüglich Proteinen und Fett durch Kachexie Grund zur Sorge21. Es ist wichtig zu erkennen, dass Pro-Kachexie-Moleküle wie der Proteolyse-induzierende-Faktor von Tumorzellen in den Kreislauf abgegeben werden und zum Kachexie-Phänotyp beitragen. Indem man die glycolytisch aktiven Tumorzellen angreift, die den Proteolyse-induzierenden-Faktor erzeugen, können restriktive Diäten die Tumorkachexie potentiell reduzieren. Diese Therapien könnten mit Omega-3-Fettsäuren supplementiert werden, die auch den Kachexie-Phänotyp reduzieren können. Omega-3-Fettsäuren von Fischöl haben auch den Vorteil, niedrige Glukose aufrecht zu erhalten, während sie Ketone-Spiegel erhöhen. Wenn der Tumor einmal unter Kontrolle ist, können die Personen die Kalorien-Zufuhr erhöhen, um Gewicht zu gewinnen.

Metabolische Therapien mit Kalorie-Einschränkung sollten darin effektiv sein, Energie-geschädigte Zellen innerhalb eines vorhandenen Tumors anzugreifen, und dienen dazu, eine breite Palette von Glycolyse-abhängigen Tumoren zu managen. Es gibt keine bekannten Substanzen, die in der Lage wären, zugleich so viele Tumor-assoziierte Signal-Pfade anzugreifen, wie es Kalorien-Einschränkung kann. Somit kann Energie-Restriktion eine kosteneffektive Zusatz-Therapie zu traditioneller Chemo- oder Bestrahlungstherapie, die toxischer, teurer und generell weniger zielgerichtet in ihrer therapeutischen Aktion sind, als die diätetische Energie-Restriktion.

Zusätzlich zu diätetischer Energie-Beschränkung werden mehrere kleine Moleküle als neue Tumor-Therapeutika in Betracht gezogen, welche die aerobe Glycolyse angreifen, unter anderem 2-deoxyglucose, Lonidamide, 3-brompyrovat, Imatinib, Oxythiamin und 6-amino-nicotinamid. Giftigkeit kann jedoch ein Problem werden, indem manche dieser Substanzen andere Pfade als Glycolyse oder Nukleid-Synthese angreifen, und manchmal sind hohe Dosen notwendig, um in vivo Effektivität zu erreichen. Eine jüngere Studie fand eine deutliche therapeutische Synergie, wenn eine niedrige Dosis von 2-deoxyglucose mit kalorien-beschränkter ketogener Diät zum Management von malignem Astrozytom bei Mäusen kombiniert wurde.

Es zeigt sich, dass die therapeutische Wirksamkeit von anti-glycolytischen Krebs-Medikamenten signifikant erhöht wird, wenn sie mit diätetischer Energie-Restriktion kombiniert wird. Die Verabreichung von anti-glycolytischen Medikamenten zusammen mit Energie-restriktiver Diät, die die zirkulierende Glucose erniedrigt und Ketone erhöht, könnte als ein mächtiger „metabolischer Schlag“ zum Töten Glucose-abhängiger Tumorzellen agieren. Diese therapeutische Richtung könnte neue Wege in der Entwicklung von Krebsmedikamenten eröffnen, weil viele Medikamente, die minimale Wirksamkeit oder hohe Toxizität besitzen, solange sie alleine verabreicht werden, therapeutisch relevant und weniger toxisch werden, wenn sie mit Energie-restriktiver Diäten kombiniert werden.

Auf die Mikroumgebung abzielen.

Manche Tumore verhalten sich wie Wunden, die nicht heilen. Wachstumsfaktoren und Zytokine, welche von Fibroblasten und Makrophagen freigesetzt werden, Zellen, die zur Wundheilung programmiert sind, können in Wirklichkeit chronische Infektion und Tumorprogression provozieren. Ein Teil des Wundheilungs-Prozesses betrifft auch die Zersetzung der extrazellulären Matrix und Förderung von der Angiogenese, was zusätzlich zur Tumorprogression beiträgt. Diätetische Energie-Restriktion bekämpft die Entzündung und die Signal-Pfade, welche die Tumor-Angiogenese vorantreiben. In der Tat wird die Kalorien-Restriktion als einfache und effektive Therapie betrachtet, um Tumor-Angiogenese und Entzündung zu bekämpfen. Indem Kalorien- oder diätetische Energie-Restriktion eine systemische Therapie ist, die zugleich sowohl auf die Tumorzellen als auch auf das Tumor-Mikro-Milieu abzielt, kann diese Behandlung zum Verzögern der Tumorprogression effektiv sein.

Auf das Glutamin abzielen

Obwohl diätetische Energie-Restriktion und antiglycolytische Krebs-Medikamente gegen viele Tumore therapeutische Wirksamkeit zeigen werden, die hauptsächlich von Glucose und Glycolyse zum Zweck des Wachstums abhängig sind, könnten diese therapeutischen Wege gegen jene Tumorzellen weniger effektiv sein, die mehr von Glutamin als von Glucose als Energiequelle abhängig sind. Glutamin ist ein vornehmlicher Energie-Metabolit für viele Tumorzellen und speziell der hämatopoetischen und myeloischen Linie. Dies ist wichtig, weil Zellen der myeloischen Linie als der Ursprung für viele metastatische Krebse betrachtet werden. Zudem ist Glutamin für die Synthese jener Zytokine notwendig, die in Krebskachexie verwickelt sind, inclusive Tumor-Nekrose-Faktor-α (TNF-α) und die Interleukine 1 und 6 (IL-1 und -6). Dies weist zudem auf eine metabolische Verbindung zwischen metastatischem Krebs und Myelid-Zellen, nämlich Makrophagen hin. Daher wird es wichtig, auch Glutamin als Zielobjekt für das Management von metastatischem Krebs anzusehen.

Glutamin kann zu Glutamat de-aminiert werden und dann zu α-keton-glutarat metaboliert werden, einem Schlüssel-Metaboliten des TCA-Zyklus. Dies geschieht entweder durch Transamination oder durch beschleunigte Glutamat-Dehydrogenase-Aktivität, abhängig von der Verfügbarkeit von Glucose. Neben der Bereitstellung von Energie durch Substratkettenphosphorylierung im TCA-Zyklus, nämlich Transphosphorylierung von GTP zu ATP, kann der anapleurotische Effekt von Glutamin auch den Spiegel von metabolischen Substraten anheben, welche die Glycolyse stimulieren. Der Glutamin-Metabolismus kann im Menschen angegangen werden, indem man das Glutamin-bindende Medikament Phenylacetat oder das Glutamin-Analogon DON (6-diazo-5-oxo-5-L-norleuzin) verwendet. Jedoch kann Toxizität ein Problem sein, wenn man den Glutamin-Stoffwechsel mittels DON zu bekämpften versucht. Jüngste Studien legen nahe, dass Polyphenol aus dem grünen Tee (EGCG) den Glutaminmetabolismus angreifen könnte, indem die Glutamat-Dehydrogenase-Aktivität unter Bedingungen von niedriger Glucose inhibiert wird. Diese und andere Strategien, die auf das Glutamin abzielen, könnten noch effektiver sein, wenn sie mit Energie-restriktiven Diäten kombiniert werden, welche den Glukose-Spiegel erniedrigt und zugleich Ketonkörper erhöhen. Daher sollte ein effektiver, ungiftiger Angriff auf sowohl den Glucose- als auch auf den Glutamin-Stoffwechsel ein einfaches therapeutisches Vorgehen für das umfassende Management der meisten lokalisierten und metastatischen Krebse darstellen.

Implementierung der Hypothese zur Prävention von Krebs

Wenn der geschädigte mitochondriale Energie-Metabolismus dem Entstehen der meisten Krebsarten zugrunde liegt, wie es hier dargestellt wird, dann wird der Schutz von Mitochondrien vor Schädigung zum logischen und einfachen Zugang, um Krebs vorzubeugen. Es ist gut dokumentiert, dass die Häufigkeit von Krebs dadurch signifikant reduziert werden kann, wenn man vermeidet, sich jenen Substanzen oder Umständen auszusetzen, welche Entzündung im Gewebe provozieren, wie Rauchen, Alkohol, karzinogene Chemikalien, ionisierender Strahlung, Fettleibigkeit, etc. Chronische Entzündung, egal welchen Ursprungs, schädigt die morphogenetischen Felder von Gewebe, was schließlich neoplastische Zellen produziert. Diese Gewebeschädigung schließt Verletzung der Mitochondrien im betroffenen Gebiet mit ein. Die Prävention von Entzündung und Schaden am Mikro-Milieu des Gewebes wird in hohem Maße die Häufigkeit der meisten Krebsarten reduzieren. Impfungen gegen einige oncogene Viren können auch die Häufigkeit von Krebsarten reduzieren, weil diese Viren die Mitochondrien in dem infizierten Gebiet schädigen können. Somit wird es die Häufigkeit von allen Krebsarten zu 80% reduzieren, wenn man einfach das Ausgesetzt-Sein zu Krebs-Risiko-Faktoren reduziert, welche chronische Entzündung und mitochondrialen Schaden hervorrufen. Prinzipiell gibt es wenige chronische Krankheiten, denen leichter vorzubeugen ist als Krebs.

Zusätzlich zum Vermeiden von etablierten Krebs-Risiko-Faktoren schützt der Metabolismus von Ketonkörpern die Mitochondrien vor Entzündungen und schädlichem ROS. ROS-Produktion vermehrt sich mit dem Alter auf natürliche Weise und schädigt zelluläre Proteine, Lipide und Nukleinsäuren. Anhäufung von ROS vermindert die Effizienz der mitochondrialen Energie-Produktion. Der Ursprung der mitochondrialen ROS stammt hauptsächlich von der Spontanreaktion von molekularem Sauerstoff (O2) mit dem Semiquinon-Radikal von Co-Enzym Q, QH, um das Superoxyd-Radikal O2- hervorzubringen. Coenzym Q ist ein hydrophobisches Molekül, das sich in der inneren Membran befindet und ist für den Elektronen-Transfer essentiell. Der Ketonkörper-Metabolismus erhöht das Verhältnis der oxydierten Form zur voll reduzierten Form von Coenzym Q (CoQ/CoQH2). Oxydation des Coenzym Q Paares reduziert die Anzahl der Semiquinon-Radikale und senkt so die Superoxyd-Produktion.

Da sich die Konzentration des cytosolisch22 freien NADP+/NADPH-Paares in nahem Equilibrium mit dem Glutathion-Paar befindet, wird der Ketonkörper-Metabolismus auch die reduzierte Form des Glutathions erhöhen und so die Destruktion von Wasserstoff-Peroxyd fördern. Die Reduktion von freien Radikalen durch den Ketonkörper-Metabolismus wird daher Gewebe-Entzündung reduzieren, die durch ROS verursacht wurde, während er die Energie-Effizienz von Mitochondrien erhöht. Ketonkörper sind nicht nur ein effizienterer metabolischer Treibstoff als Glucose, sondern besitzen auch ein anti-inflammatorisches Potential. Der Metabolismus von Ketonkörpern für Energie wird die Gesundheit und die Effizienz der Mitochondrien aufrecht erhalten und so die Häufigkeit von Krebs reduzieren.

Die einfachste Art, den Keton-Körper-Mechanismus auszulösen, ist durch diätetische Energie-Restriktion mit adäquater Ernährung. Es ist wichtig, adäquate Ernährung zu betonen, da Kalorie-Restriktion zusammen mit Malnutrition23 potentiell das Auftreten von Krebs fördern kann. Daher kann die Einnahme von Nahrungsmitteln, die die aktiven Gruppen der respiratorischen Enzyme enthalten (Eisen-Salze, Riboflavin, Nicotinamid und Pantothensäure) könnten darin effektiv sein, die Gesundheit aufrecht zu erhalten, wenn es mit diätetischer Energie-Restriktion kombiniert wird. Das Senken des Spiegels an zirkulierender Glucose durch Kalorien-Restriktion erleichtert die Aufnahme und die Verarbeitung (Metabolismus) von Ketonkörpern zur Verwendung als alternativen respiratorischen Treibstoff. Der Metabolismus von Ketonkörpern erhöht die Aktivität der Succinat-Dehydrogenase, während er die generelle Effizienz der Energieproduktion durch Respiration erhöht. Im Wesen verzögern die diätetische Energie-Restriktion und der Keton-Körper-Metabolismus Entropie24. Da Krebs eine Krankheit von beschleunigter Entropie ist, trifft diätetische Energie-Restriktion genau das Wesen der Erkrankung.

Es ist gut dokumentiert, dass diätetische Energie-Restriktion die Häufigkeit von sowohl ererbten als auch erworbenen Krebsen in Tierversuchen senken kann. Beweise zeigen auch, dass diätetische Energie-Restriktion die Häufigkeit von mehreren menschlichen Krebsen reduzieren kann. Die Anwendung von periodischer diätetische Energie-Restriktion, was multiple Krebs-provozierende Faktoren trifft, kann eine einfache und kostengünstige Veränderung im Lebensstil sein, welche befähigt ist, die Krebshäufigkeit zu reduzieren. Diätetische Energie-Restriktion bei Ratten ist jedoch mit Wasser-Fasten oder mit Diäten von sehr niedrigen Kalorien (500 – 600 Kcal/Tag) beim Menschen vergleichbar. Im Lichte dieses Umstandes bleibt es abzuwarten, ob Mitglieder unserer Spezies bereit oder motiviert genug sind, Veränderungen im Lebensstil zu unternehmen, die zur Krebsverhütung notwendig sind.

Schlussfolgerungen

Es wurden Beweise durchgearbeitet, welche die generelle Hypothese unterstützen, dass Krebs primär eine Erkrankung des Energie-Stoffwechsels ist. Alle der wichtigen Markenzeichen25 der Krankheit kann mit geschädigter mitochondrialer Funktion in Verbindung gebracht werden. Um die Lebensfähigkeit aufrecht zu erhalten, gehen Zellen schrittweise zu Substratkettenphosphorylierung über, indem sie Glucose und Glutamin als Energie-Substrat verwenden. Während Krebs-auslösende Keimlinien-Mutationen selten sind, kann die Fülle von somatischen Genom-Abnormitäten, die in der Mehrzahl der Krebse gefunden wird, als eine sekundäre Folge von mitochondrialer Dysfunktion entstehen. Wenn das einmal etabliert ist, kann die somatische Gen-Instabilität zu weiteren mitochondrialen Defekten und zur metabolischen Inflexibilität der Tumorzellen beitragen. Systemische Metastasierung ist das vorausgesagte Resultat von fortdauernden mitochondrialen Defekten an Zellen myeloischen Ursprungs. Tumorzellen von myeloischem Ursprung würden von Natur aus die Fähigkeit beinhalten, in Gewebe hinein und aus ihm hinaus zu gelangen. Zwei hauptsächliche Schlussfolgerungen gehen aus dieser Hypothese hervor, erstens dass viele Krebse rückläufig werden können, wenn Energie-Aufnahme eingeschränkt wird, und zweitens dass viele Krebse verhütet werden können, wenn Energie-Aufnahme eingeschränkt wird. Daraus folgt, dass die Energie-beschränkten Diäten in Kombination mit Medikamenten gegen Glucose und Glutamin gerichtet eine vernünftige Strategie für das langzeitige Management und die Prävention der meisten Krebse liefert.

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