Wie Krebszellen ihre Brennstoffversorgung umprogrammieren – und warum die Ernährung sie nicht einfach austricksen kann

Krebszellen benötigen enorme Mengen an Energie, um sich weiter zu teilen, und viele von ihnen gewinnen diese Energie auf ungewöhnliche Weise. Anstatt Glukose wie die meisten gesunden Zellen hauptsächlich über einen sauerstoffabhängigen Prozess zu verwerten, wandeln sie Glukose selbst dann in ein Nebenprodukt namens Laktat um, wenn reichlich Sauerstoff vorhanden ist. Dieses Muster wird als Warburg-Effekt bezeichnet, benannt nach dem deutschen Wissenschaftler Otto Warburg, der es vor Jahrzehnten erstmals beschrieb. Diese schnelle, weniger differenzierte Form der Zuckerverbrennung – ein Stoffwechselweg namens Glykolyse – erzeugt pro Glukosemolekül deutlich weniger nutzbare Energie als der sauerstoffabhängige Weg, den die meisten gesunden Zellen bevorzugen. Effizienz ist jedoch möglicherweise nicht das Entscheidende.

Man kann sich das wie eine Fabrik vorstellen, die eine langsame, sorgfältige Montagelinie gegen eine schnellere, gröbere austauscht. Die schnellere Linie verbraucht Rohmaterial rasch, stellt aber auch schnell fertige Bauteile her. Eine sich teilende Zelle braucht mehr als Energie: Sie benötigt Rohmaterial für neue Zellmembranen, neue DNA und neue Proteine. Eine mit hoher Geschwindigkeit ablaufende Glykolyse liefert viele dieser Bausteine als Nebenprodukt, obwohl sie dabei Energie verschwendet.

Diese Umprogrammierung der Energieversorgung ist kein nebensächliches Detail der Krebsbiologie. Sie gilt als eines der charakteristischen Merkmale von Krebs und steht neben anderen grundlegenden Eigenschaften, etwa der Fähigkeit einer Zelle, weiter zu wachsen, obwohl sie das nicht sollte, und den Signalen auszuweichen, die einer geschädigten Zelle normalerweise den Absterbeprozess mitteilen. Forschende betrachten die metabolische Umprogrammierung als grundlegend für die Entstehung von Tumoren und nicht als zufällige Begleiterscheinung des Wachstums.

Allerdings ist der Warburg-Effekt keine allgemeingültige Regel. Nicht jede Tumorzelle ist im gleichen Ausmaß darauf angewiesen, und das Stoffwechselverhalten unterscheidet sich je nach Krebsart – sogar zwischen Zellen innerhalb desselben Tumors. Manche Bereiche eines Tumors können sich stark auf die Glykolyse stützen, während benachbarte Bereiche weiterhin in erheblichem Maß auf den sauerstoffabhängigen Stoffwechsel angewiesen sind.

Die Schalter, die bestimmen, wie eine Zelle ihre Energie einsetzt

Zellen wählen ihre Strategie zur Energiegewinnung nicht zufällig. Zwei Proteine fungieren als zentrale Schalter: Sie erfassen den Energie- und Nährstoffstatus einer Zelle und passen deren Verhalten entsprechend an. Einer dieser Schalter, mTOR, registriert reichlich vorhandene Nährstoffe und Wachstumssignale und treibt Zellen dazu an, zu wachsen und sich zu teilen. Wenn mTOR überaktiv ist – was bei Krebs häufig vorkommt –, hält es die Wachstumssignale auch dann eingeschaltet, wenn sie es eigentlich nicht sein sollten.

Der andere Schalter, AMPK, wirkt nahezu entgegengesetzt. Er wird aktiviert, wenn die Energie einer Zelle knapp wird, und funktioniert wie eine Warnleuchte für niedrigen Brennstoffstand: Er verlangsamt das Wachstum und lenkt die Zelle eher auf Energiesparen als auf Energieverbrauch. Bei vielen Krebsarten ist diese Bremse abgeschwächt oder wird umgangen. Das hilft zu erklären, warum Tumorzellen selbst unter Bedingungen weiterwachsen, unter denen eine gesunde Zelle normalerweise ihr Wachstum zurückfahren müsste.

Auch Hormone spielen hier eine Rolle. Insulin und ein verwandtes wachstumsförderndes Hormon wirken auf dieselben Wachstumssignalwege ein, und höhere Konzentrationen dieser Signale wurden in einigen Studien mit einem erhöhten Krebsrisiko in Verbindung gebracht. Dies ist ein Teil der biologischen Begründung für das Interesse an Blutzucker und Insulin als Stellgrößen, die sich möglicherweise durch die Ernährung beeinflussen lassen – eine Hypothese, die weiter unten näher besprochen wird.

Ein dritter Schalter reagiert nicht auf Nährstoffe, sondern auf Sauerstoff. Viele solide Tumoren enthalten Bereiche mit Sauerstoffmangel, ein Zustand, der als Hypoxie bezeichnet wird. Unter diesen Bedingungen wird ein Protein namens HIF-1α aktiv und schaltet Gene ein, die die Glukoseaufnahme und die Glykolyse steigern. Dadurch können sich Zellen an sauerstoffarme Bereiche anpassen, die ihnen sonst die Energieversorgung entziehen würden. Das ist ein Grund dafür, dass der Tumorstoffwechsel je nachdem unterschiedlich aussehen kann, in welchem Teil eines Tumors sich eine Zelle befindet.

Zucker ist nicht die ganze Geschichte

Glukose erhält die meiste Aufmerksamkeit, ist aber nicht der einzige Brennstoff, von dem viele Krebszellen abhängig sind. Zahlreiche Krebszellen sind auch stark auf eine Aminosäure namens Glutamin angewiesen. Sie nutzen Glutamin nicht nur als alternative Energiequelle, sondern auch als Rohstoff für den Aufbau neuer Moleküle und zur Aufrechterhaltung des chemischen Gleichgewichts im Zellinneren. In manchen Tumorzellen geht die Glutaminnutzung weit über das hinaus, was lediglich für den Aufbau von Proteinen und DNA erforderlich wäre. Das deutet darauf hin, dass Glutamin eine umfassendere Rolle bei der Unterstützung schnellen Wachstums spielt.

Es liegt nahe anzunehmen, dass Zellen, die so viel Glykolyse betreiben, ihre Mitochondrien – die Zellstrukturen, die normalerweise die sauerstoffabhängige Energiegewinnung übernehmen – im Wesentlichen aufgegeben haben. Diese Annahme hält jedoch nicht gut stand. Die Funktion der Mitochondrien bleibt in den meisten Krebszellen wichtig: Sie trägt zu den für das Wachstum benötigten Bausteinen, zur Aufrechterhaltung des chemischen Gleichgewichts und sogar zur Fähigkeit eines Tumors bei, sich auszubreiten. Der Krebsstoffwechsel besteht also nicht aus Glykolyse statt Mitochondrien, sondern in der Regel aus beidem, wobei sich das Zusammenspiel je nach Bedingungen verändert.

Ein Recyclingprozess mit zwei Gesichtern

Ein weiterer Prozess hängt mit all dem zusammen: die Autophagie, ein Mechanismus, mit dem Zellen ihre eigenen verbrauchten Bestandteile abbauen und recyceln. Sie wird teilweise durch dieselben oben beschriebenen Nährstoffsensoren reguliert. Die Rolle der Autophagie bei Krebs ist tatsächlich ambivalent. In Zellen im Frühstadium kann sie dazu beitragen, jene Art von Schäden zu unterdrücken, die überhaupt erst zur Entstehung von Tumoren führt. In bereits etablierten Tumoren kann derselbe Recyclingprozess Krebszellen jedoch helfen, Phasen metabolischen Stresses zu überleben, etwa wenn Nährstoffe knapp sind. Welcher Effekt überwiegt, scheint stark vom Krankheitsstadium und vom jeweiligen zellulären Kontext abzuhängen, statt einer festen Regel zu folgen.

Kann die Ernährung diese Unterschiede ausnutzen?

Wenn viele Krebszellen auf Glukose- und Insulinsignale angewiesen sind, könnte eine Senkung des Blutzuckers durch die Ernährung sie dann benachteiligen? Diese Überlegung bildet die Grundlage des Interesses an ketogener Ernährung für Krebspatientinnen und -patienten. Die Idee besteht darin, dass eine sehr kohlenhydratarme Ernährung den Blutzucker- und Insulinspiegel senkt und gleichzeitig die Konzentration von Ketonkörpern erhöht – Molekülen, die der Körper bildet, wenn er zur Energiegewinnung auf die Verbrennung von Fett umstellt. Dadurch könnten glykolyseabhängigen Tumorzellen ihre bevorzugte Energiequelle entzogen werden, während sich normale Zellen leichter anpassen.

Die bisherigen Erkenntnisse beim Menschen sind begrenzt und überwiegend vorläufig. In einer kleinen Pilotstudie wurden sechzehn Menschen mit fortgeschrittenem Krebs unter einer ketogenen Ernährung beobachtet. Sie erwies sich als durchführbar, wobei einige Messwerte zur Lebensqualität stabil blieben. Die Studie war jedoch weder darauf ausgelegt noch ausreichend groß, um Auswirkungen auf das Tumorwachstum oder das Überleben nachzuweisen. Umfassendere Übersichten über die Forschung zur ketogenen Ernährung kommen zu einem übereinstimmenden Schluss: Sie ist weiterhin Gegenstand aktiver Forschung und keine etablierte Krebstherapie; belastbare Belege für ein verbessertes Überleben oder eine bessere Tumorkontrolle beim Menschen fehlen noch.

Fasten und kurzfristige, fastenähnliche Ernährungsformen haben eine ähnliche Entwicklung genommen. In Tierstudien schienen Fastenzyklen gesunde Zellen vor der Toxizität einer Chemotherapie zu schützen und Krebszellen gleichzeitig empfindlicher dafür zu machen. Diese Arbeiten stehen mit der von Valter Longo geleiteten Forschungsgruppe in Verbindung. Der vorgeschlagene Mechanismus besteht darin, dass Fasten gesunde Zellen in einen schützenden Zustand mit geringem Wachstum versetzt, in den Krebszellen aufgrund ihrer eigenen Wachstumssignale nur schwer eintreten können. In frühen klinischen Studien am Menschen wurde anschließend untersucht, ob kurze Fastenperioden rund um eine Chemotherapie durchführbar und verträglich sind. Dies bleibt jedoch ein aufkommendes Forschungsgebiet und ist keine bewiesene Methode, um Behandlungsergebnisse zu verbessern.

Mechanismus und Beweis voneinander trennen

All dies weist auf eine übergeordnete Unterscheidung hin, die man sich vor Augen halten sollte: Zu verstehen, wie Krebszellen mit Energie umgehen, ist nicht dasselbe wie zu wissen, wie sich dieser Unterschied bei Patientinnen und Patienten sicher und wirksam ausnutzen lässt. Die molekulare Logik hinter ketogener Ernährung und Fasten beruht auf realer Biologie. Diese Logik in eine Therapie mit nachgewiesenem Überlebensvorteil zu übertragen, ist jedoch eine deutlich höhere Hürde – und sie wurde bislang nicht genommen.

Auch die tatsächlichen Risiken müssen berücksichtigt werden. Stark einschränkende Ernährungsformen oder unbeaufsichtigtes Fasten können für Krebspatientinnen und -patienten gefährlich sein, insbesondere für Menschen, die bereits Gewicht verlieren, an Kachexie leiden oder Behandlungen erhalten, die eigene metabolische Nebenwirkungen haben. Keine dieser Forschungsergebnisse stützt einen Ersatz von Chemotherapie, Bestrahlung, Operation oder Immuntherapie durch Ernährungsänderungen. Wer während einer Krebsbehandlung die Ernährung verändern möchte, sollte dies direkt mit dem onkologischen Behandlungsteam besprechen. Dieses kann individuelle Risiken abwägen, die sich aus Forschung auf Bevölkerungsebene nicht erfassen lassen.

Die Wissenschaft liefert jedoch ein klareres Bild davon, warum sich Tumoren auf Stoffwechselebene so verhalten, wie sie es tun: warum sie Glukose bevorzugen, warum Glutamin wichtig ist und warum sauerstoffarme Tumorbereiche anders aussehen als gut versorgte. Ob dieses Verständnis letztlich zu Behandlungen führt, die Patientinnen und Patienten zuverlässig helfen, statt nur plausible Hypothesen zu liefern, bleibt eine offene Frage, an der das Forschungsfeld weiterhin arbeitet.