Melanom: Wie das Hautmikromilieu seinen Verlauf beeinflusst?

Das Melanom ist ein Hautkrebs das sich aus den Melanozyten, den Zellen, die das Melanin produzieren, entwickelt. Obwohl es nicht die häufigste Form des Hautkrebses ist, stellt es aufgrund seines hohen metastatischen Potenzials. Seine Inzidenz nimmt weiterhin zu, was im Zusammenhang mit der Exposition gegenüber UV-Strahlen und dem Altern der Bevölkerung. Trotz bedeutender Fortschritte in der Medizin in den letzten Jahrzehnten bleibt das Melanom schwer zu kontrollieren, insbesondere aufgrund der Entstehung von Therapieresistenzen.

Diese Phänomene lassen sich nicht ausschließlich durch das Auftreten neuer Mutationen erklären, sondern beruhen auch auf einer ausgeprägten zellulären Plastizität, die es Tumorzellen ermöglicht, ihren Phänotyp entsprechend ihrem Umfeld zu verändern.

Tumorzellen stehen tatsächlich in ständigem Austausch mit ihrer Umgebung, die aus Stromazellen, Immunzellen und der extrazellulären Matrix besteht, die aus Kollagen, Fibronektin und weiteren Strukturproteinen aufgebaut ist. Letztere übernimmt nicht nur eine passive Stützfunktion, sondern beeinflusst aktiv das Zellverhalten, die Proliferation, die Migration und das Überleben der Zellen. Beim Melanom unterliegt die extrazelluläre Matrix im Verlauf der Tumorprogression und unter dem Einfluss von Therapien tiefgreifenden Umstrukturierungen. Eine Zunahme der Menge an Kollagen und eine Neuordnung ihrer Fasern führen zu einem gut dokumentierten Phänomen der Versteifung des Tumorgewebes.

Diese erhöhte Steifigkeit wird heute als eine wichtige biophysikalische Eigenschaft aggressiver Tumoren anerkannt.

Genau in diesem Kontext lassen sich die jüngsten Arbeiten von DECKERT und seinem Team zum Melanom einordnen. Sie basieren auf einer einfachen, jedoch lange vernachlässigten Hypothese: Die Steifigkeit des Tumorgewebes könnte nicht alle Melanomzellen gleichermaßen beeinflussen. Genauer gesagt könnte die Fähigkeit einer Krebszelle, die mechanischen Spannungen in ihrer Umgebung zu deuten, von ihrem phänotypischen Zustand abhängen. Um diese Idee zu prüfen, haben die Forscher experimentell Umgebungen mit kontrollierter Steifigkeit nachgebildet, indem sie verschiedene Melanomzellpopulationen auf mehr oder weniger flexiblen Kollagenmatrices kultivierten. Dieser Ansatz ermöglichte die Identifizierung einer ersten Erkenntnis: In Bezug auf die Steifigkeit der extrazellulären Matrix reagieren nicht alle Melanomzellen in gleicher Weise.

Um die Hypothese zu testen, nach der die Steifigkeit der extrazellulären Matrix nicht alle Melanomlinien gleichermaßen beeinflusst, untersuchten DECKERT und sein Team humane Melanomlinien, die entweder einen melanozytären oder einen dedifferenzierten Phänotyp aufwiesen. Um den spezifischen Einfluss der Matrixsteifigkeit zu isolieren, wurden die Zellen auf sehr weichen Kollagenmatrices (unter 1 kPa), die mit weichem Gewebe vergleichbar sind, oder auf sehr starren (über 16 kPa), die ein fibröses Tumorgewebe nachbilden, kultiviert.

Die ersten morphologischen Beobachtungen haben einen auffälligen Unterschied zwischen den beiden Zellzuständen offengelegt. Wenn sie auf einer starren Matrix kultiviert werden, zeigen die dedifferenzierten Zellen eine starke Zellverbreiterung und eine Zunahme ihrer Adhäsionsfläche, Anzeichen einer aktiven Interaktion mit ihrer Umgebung. Im Gegensatz dazu behalten die Melanozyten eine relativ ähnliche Morphologie bei, egal ob sie auf einer weichen oder starren Matrix kultiviert werden.

Dieser Verhaltensunterschied bestätigte sich in der funktionellen Analyse der Zellproliferation. Unter Verwendung einer Echtzeitüberwachung zeigten die Forscher, dass die Matrixsteifigkeit die Proliferation dedifferenzierter Zellen stark fördert. Im Gegensatz dazu induziert eine weiche Matrix in diesen Zellen einen Zellzyklusarrest, verbunden mit einer verringerten Expression wesentlicher Zyklusprogressionsproteine wie des phosphorylierten Retinoblastom-Proteins (P-Rb) oder des Transkriptionsfaktors E2F1. Dieser Effekt ist in differenzierten Melanozyten hingegen deutlich schwächer oder gar nicht vorhanden.

Um ihr Invasionspotenzial zu bewerten, wurden die Zellen über mehrere Tage auf weichen oder starren Matrizes kultiviert und anschließend in Boyden-Kammer-Invasionssystemen getestet, die mit einer „Standard“-extrazellulären Matrix (Matrigel) beschichtet sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorherige Exposition gegenüber einer starren Matrix die Fähigkeit dedifferenzierter Zellen, in das Matrigel einzudringen, stark erhöht, während dies bei melanozytären Zellen nur geringe Auswirkungen hat. Diese Daten legen nahe, dass die Matrixsteifigkeit nicht nur vorübergehend wirkt, sondern dass sie einen echten pro-invasives funktionelles Programm in dedifferenzierten Zellen.

Ein weiterer wichtiger Punkt: Diese Reaktionsunterschiede werden unabhängig vom Mutationsstatus der Zellen beobachtet.

Ob sie Mutationen im BRAF- oder MEK-Gen tragen, die in Melanomzellen häufig vorkommen, bleiben dedifferenzierte Zellen stets empfindlicher gegenüber mechanischen Signalen als Melanozyten, was zeigt, dass die Reaktion auf die Steifigkeit der extrazellulären Matrix nicht durch genetische Veränderungen diktiert, sondern durch den phänotypischen Zustand der Zellen bestimmt wird.

Schließlich haben die Forscher die Konsequenzen dieser Mechanosensibilität für die Reaktion auf zielgerichtete Therapien untersucht. Indem sie die Zellen auf weichen oder starren Matrizes kultivierten und einer Kombination aus BRAF- und MEK-Inhibitoren (Dabrafenib und Trametinib) aussetzten, konnten sie zeigen, dass die mechanische Steifigkeit den dedifferenzierten Zellen einen deutlichen Schutz verleiht, sodass diese weniger empfindlich auf die Induktion der Apoptose reagieren. Im Gegenteil macht eine weiche Matrix diese Zellen wieder empfänglicher für die Behandlung, was mit einer signifikanten Zunahme der Caspase-3-Aktivierung und dem Zellsterben einhergeht. Auch hier ist dieser Effekt spezifisch für dedifferenzierte Zellen und wird in melanocytären Zellen nicht beobachtet.

Die Forschenden kamen zu dem Schluss, dass die Fähigkeit von Melanomzellen, die Steifigkeit ihrer Umgebung zu nutzen, eng von ihrem phänotypischen Zustand abhängt.

Die Dedifferenzierung verleiht nicht nur invasive Eigenschaften und eine Therapieresistenz, sondern geht auch mit einer Abhängigkeit von mechanischen Signalen der extrazellulären Matrix. Somit kann man sich folgende Frage stellen: Durch welche molekularen Mechanismen nehmen diese Zellen die Steifigkeit des Kollagens wahr und wandeln diese physikalische Information in biologische Signale um, die ihre Aggressivität fördern? Genau diesen Punkt haben die Wissenschaftler in ihren weiteren Arbeiten zu klären versucht.

Zellen erkennen die mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung durch transmembranäre Rezeptoren, die mit Komponenten der extrazellulären Matrix interagieren. Während Integrine in diesem Zusammenhang die am intensivsten untersuchten Matrixrezeptoren sind, richtet sich das Augenmerk hier auf eine andere Familie von Kollagenrezeptoren: die Discoidin-Domänen-Rezeptoren DDR1 und DDR2. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch fibrilläres Kollagen aktiviert werden und an der Weiterleitung mechanischer Signale in das Zellinnere beteiligt sind.

Die Forscher haben zunächst die Expression und Aktivierung dieser Rezeptoren in den verschiedenen Zellzuständen des Melanoms untersucht. Sie stellten fest, dass zwar mehrere Kollagenrezeptoren in dedifferenzierten Zellen exprimiert werden, doch nur DDR1 und DDR2 eine signifikant erhöhte Aktivierung aufweisen, wenn die Zellen auf einer starren Matrix kultiviert werden. Diese Aktivierung ist in differenzierten Melanozyten deutlich schwächer oder sogar nicht vorhanden, was darauf hindeutet, dass DDR1 und DDR2 eine Rolle bei der Mechanosensitivität dedifferenzierter Zellen spielen könnten.

Um diese Frage zu beantworten, blockierten die Forscher DDR1 und DDR2 auf zwei verschiedene Weisen: durch Herunterregulierung ihrer Expression oder durch Hemmung ihrer Aktivität. In beiden Fällen beobachteten sie, dass die Zellen ihre Fähigkeit verlieren, auf mechanische Steifigkeit zu reagieren. Sie erzeugen weniger innere Kräfte, ihr Zytoskelett desorganisiert sich und ihre Matrixverankerungsstrukturen sind weniger ausgeprägt. Diese Ergebnisse zeigen, dass DDR1 und DDR2 sind essentiell, um die kontraktile Maschinerie der Zelle zu aktivieren, von der die Aktivierung mechanosensitiver Signalwege abhängt, insbesondere jener, die den Transkriptionskoaktivator YAP einschließen. Wenn Zellen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden, reichert sich YAP im Zellkern an und aktiviert die Expression von Genen, die an Proliferation, Migration und Zellüberleben beteiligt sind.

Die Forscher haben daher die transkriptionelle Aktivität von YAP in Melanomzellen untersucht, die auf Matrizen mit unterschiedlicher Steifigkeit kultiviert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass in dedifferenzierten Zellen eine steife Matrix eine deutliche nukleäre Translokation von YAP, begleitet von einer erhöhten Genexpression. Im Gegensatz dazu bleibt YAP auf einer weichen Matrix überwiegend zytoplasmatisch und seine transkriptionelle Aktivität ist stark reduziert. Diese Reaktion ist in Melanozyten deutlich weniger ausgeprägt, was bestätigt, dass die Aktivierung von YAP durch Matrixsteifigkeit eng an den phänotypischen Zustand der Zellen gekoppelt ist. Darüber hinaus verschwindet diese YAP-Aktivierung nahezu vollständig, wenn DDR1 und DDR2 gehemmt werden, selbst in Gegenwart einer steifen Matrix.

Diese Arbeiten ermöglichen es, die folgende Übertragungskette zu rekonstruieren: Die Steifigkeit des Kollagens wird von DDR1 und DDR2 wahrgenommen, über die zelluläre Kontraktilität weitergeleitet und schließlich durch die Aktivierung von YAP übersetzt.

Dennoch blieb eine Frage offen: Wie bleibt YAP in Melanomzellen aktiv, obwohl es normalerweise rasch abgebaut wird? Diese Fragestellung veranlasste die Forscher, eine weitere Regulationsebene zu untersuchen: die Stabilität von Proteinen und die Mechanismen der Ubiquitinierung.

Unter normalen Bedingungen ist die Aktivierung von YAP vorübergehend: Nachdem es seine Funktion als Regulator der Genexpression ausgeübt hat, wird dieses Protein rasch für den Abbau durch das Ubiquitin–Proteasom-System markiert. Dieser Mechanismus begrenzt zeitlich die Intensität mechanosensitiver Signale. In einer starren extrazellulären Matrix, wie sie beim Melanom beobachtet wird, bleibt YAP jedoch dauerhaft aktiv. Um dieses anomale Fortbestehen zu verstehen, haben sich die Forscher entschlossen, über die Analyse der klassischen Signalwege hinauszugehen und sich auf Mechanismen zu konzentrieren, die die Stabilität von Proteinen kontrollieren. Sie untersuchten dabei die Rolle der Deubiquitinasen (DUB), Enzyme, die in der Lage sind die an Proteine angehängten Ubiquitinketten zu entfernen und sie so dem proteasomalen Abbau zu entziehen.

Konkret wurden dedifferenzierte Melanomzellen auf weichen oder starren Kollagenmatrizen kultiviert und anschließend lysiert, um ihre enzymatische Aktivität zu analysieren. Die Zelllysate wurden mit einer modifizierten Ubiquitin-Sonde inkubiert, die entwickelt wurde, um sich spezifisch an das aktive Zentrum funktioneller Deubiquitinasen zu binden. Die so markierten Enzyme wurden anschließend isoliert und identifiziert. Dieser Ansatz zeigte, dass die Aktivität mehrerer DUB von der Steifigkeit der extrazellulären Matrix abhängt. Darunter sticht das Enzym USP9X deutlich hervor: Seine Aktivität nimmt signifikant zu, wenn die Zellen einer starren Matrix ausgesetzt sind, während sie in einer weicheren Umgebung abnimmt.

Die Forschenden wollten anschließend verstehen, was die Aktivierung des Enzyms USP9X in einer starren Umgebung auslöst. Dafür blockierten sie die Kontraktilität des Zytoskeletts, also die Fähigkeit der Zelle, mithilfe des Aktin-Myosin-Systems interne Kräfte zu erzeugen. Wenn sie Myosin II hemmen, wird USP9X nicht mehr aktiviert. Dies zeigt, dass die Aktivierung von USP9X direkt von der im Inneren der Zelle erzeugten mechanischen Spannung. In gleicher Weise, wenn die Rezeptoren DDR1 und DDR2 blockiert werden, aktiviert sich USP9X nicht mehr, selbst auf einer starren Matrix.

Weitere Tests, die von Wissenschaftlern durchgeführt wurden, zeigten, dass USP9X direkt auf YAP wirkt. Wenn die Aktivität von USP9X blockiert ist, wird YAP rasch mit Ubiquitinen markiert und selbst in einer starren Matrix durch das Proteasom abgebaut. Anders verhält es sich, wenn USP9X aktiv ist: Dann entfernt es diese Abbaukennzeichnungen, wodurch sich YAP in der Zelle anreichern kann.

Die Gewebesteifigkeit aktiviert YAP nicht nur, sondern verhindert auch seinen Abbau. USP9X stabilisiert YAP und verlängert so die mechanische Reaktion dedifferenzierter Zellen. Diese Stabilisierung erklärt, warum diese Zellen migratorisch, invasiv und therapieresistent bleiben, solange ihr Umfeld steif ist.

Um zu überprüfen, ob sich dieser Mechanismus nicht nur auf Beobachtungen in vitro, untersuchten die Forscher anschließend die Rolle von USP9X in einem Tiermodell des Melanoms. Sie verwendeten biolumineszent markierte Melanomzellen, um ihr Verhalten im Organismus in Echtzeit zu verfolgen. Diese Zellen – entweder Kontrollzellen oder genetisch so modifiziert, dass USP9X inaktiviert war – wurden intravenös in immunsupprimierte Mäuse injiziert. Dieses Modell ermöglicht die Untersuchung der allerersten Phasen der metastatischen Ausbreitung, insbesondere der Fähigkeit der Tumorzellen, den Blutkreislauf zu verlassen und die Lunge zu besiedeln.

Nur wenige Stunden nach der Injektion zeigte die Biolumineszenzbildgebung bereits einen deutlichen Unterschied zwischen den beiden Gruppen. Die Zellen ohne USP9X weisen eine stark reduzierte Fähigkeit auf, aus den Blutgefäßen auszutreten und sich im Lungengewebe anzusiedeln. Die über fast zwei Monate andauernde Langzeitbeobachtung der Tiere bestätigt diese anfängliche Beobachtung: Während die mit Kontrollzellen injizierten Mäuse nach und nach Lungenmetastasen entwickeln, bei den Tieren, die USP9X-defiziente Zellen erhielten, lassen sich keinerlei nachweisbare Metastasen feststellen.

Diese Ergebnisse zeigen, dass USP9X für die frühen Phasen der Zellmigration und Invasion, die für die Metastasenbildung erforderlich sind, unverzichtbar ist und damit im Einklang mit seiner Rolle bei der Stabilisierung von YAP steht.

Das Forscherteam wollte anschließend klären, ob das gezielte Anvisieren von USP9X auch die durch zielgerichtete Therapien induzierte mechanische Umprogrammierung beeinträchtigen kann. Es ist bekannt, dass die Hemmung des BRAF–MEK-Signalwegs, obwohl anfänglich wirksam, einen Umbau der extrazellulären Matrix, eine Zunahme der Tumorsteifigkeit und eine anhaltende Aktivierung von YAP fördert, was zum Rückfall beiträgt. Hierzu wurden BRAF-mutierte murine Melanomzellen in immunkompetente Mäuse injiziert, die anschließend entweder allein mit der zielgerichteten Therapie, allein mit einem USP9X-Inhibitor (in der Studie G9 genannt) oder mit der Kombination beider behandelt wurden.

Wie erwartet verlangsamt der allein verabreichte USP9X-Inhibitor das Tumorwachstum nur leicht, ohne eine deutliche Regression zu bewirken. Wird die USP9X-Hemmung jedoch mit einer zielgerichteten Therapie kombiniert, verzögert sich das Tumorrezidiv signifikant und die Überlebenszeit der Tiere verbessert sich.

Die Analyse der Tumoren zeigt, dass diese Kombination die fibrotische Remodellierung verhindert, die üblicherweise durch BRAF- und MEK-Inhibitoren induziert wird. Die Kollagennetzwerke sind weniger dicht, die Aktivität von Deubiquitinases ist reduziert, und die Aktivierung von YAP sowie seiner Zielgene, die an Migration, Invasion und Tumorzellresistenz beteiligt sind, ist deutlich verringert. Diese Ergebnisse belegen, dass die Hemmung von USP9X den selbstverstärkenden mechanischen Kreislauf, der durch die Behandlung in Gang gesetzt wird, unterbricht, indem sie die Stabilisierung von YAP und die mechanische Anpassung der Tumorzellen verhindert.

Diese Arbeiten bringen vor allem einen Perspektivwechsel im Verständnis des Melanoms.

Sie zeigen, dass die Anpassung tumoraler Zellen nicht nur auf genetischen oder transkriptionellen Mechanismen beruht, sondern auch auf ihrer Fähigkeit, ihre Umwelt wahrzunehmenund über die Zeit hinweg bestimmte Proteine wie YAP zu stabilisieren. Durch die Identifizierung von USP9X als Vermittler zwischen der Steifigkeit der extrazellulären Matrix, der Mechanosignalgebung und der therapeutischen Resistenz ebnen diese Arbeiten den Weg für neue Strategien, die Mechanismen ins Visier nehmen, mit denen sich Melanomzellen anpassen und im Organismus persistieren.

Diese Ergebnisse legen darüber hinaus nahe, dass die mechanische Antwort des Melanoms gezielt anzusprechen könnte die bestehenden therapeutischen Ansätze ergänzen. Insbesondere erscheint die Hemmung von USP9X als ein indirektes Mittel, die dauerhafte Aktivierung von YAP einzudämmen und die durch zielgerichtete Therapien induzierte mechanische Reprogrammierung zu verlangsamen. Darüber hinaus könnte dieser Ansatz auch für andere Krebsarten relevant sein, die in versteiftem Gewebe entstehen und bei denen YAP eine zentrale Rolle spielt, wie beispielsweise Lungenkrebs.

Dennoch weisen diese Arbeiten bestimmte Einschränkungen, die von den Forschenden selbst hervorgehoben wurden. Die Experimente beruhen hauptsächlich auf vereinfachten Kollagenmatrizen, die nicht die gesamte Komplexität der extrazellulären Matrizen abbilden, die in vivo durch Tumor- und Stromazellen gebildet. Darüber hinaus sind die genauen Mechanismen, die Gewebesteifigkeit, die Aktivierung der Kollagenrezeptoren und die Erhöhung der USP9X-Aktivität verknüpfen, noch nicht vollständig geklärt. Diese Arbeiten stellen somit einen ersten Schritt dar und erfordern weitere Studien, um diese Mechanismen in physiologischeren Umgebungen zu untersuchen und zu bestimmen, inwieweit sie klinisch genutzt werden können.

• LAVERSANNE M. & al. Global burden of cutaneous melanoma in 2020 and projections to 2040. JAMA Dermatology (2022).

• OLIVIA A. G. & al. Skin-on-a-chip technology: Microengineering physiologically relevant in vitro skin models. Pharmaceutics (2022).

• DECKERT M. & al. USP9X is a mechanosensitive deubiquitinase that controls tumor cell invasiveness and drug response through YAP stabilization. Cell Reports (2025).

• DECKERT M. & al. Extracellular matrix stiffness determines the phenotypic behavior of dedifferentiated melanoma cells through a DDR1/2-dependent YAP mechanotransduction pathway. Research Square (2025).