Nádorová transformace
Mgr. Katarína Kuricová
Základní pojmy
Nádor, tumor, neoplazma, novotvar
- je nová a abnormální tkáň v mnohobuněčném organismu,
která v tomto organismu nemá fyziologickou funkci a roste
neregulovaným způsobem
- je geneticky podmíněný abnormální přírůstek buněčné
tkáňové hmoty klonálního charakteru. Jeho růst není v
koordinaci s růstem okolních tkání a rovnovážným stavem
organismu
Klasifikace nádorů I
podle schopnosti infiltrovat se do jiné tkáně
► Benigní (nezhoubné): zůstávají v místě svého vzniku,
nemigrují, neinvadují jiné tkáně.
► Maligní (zhoubné): pronikají do okolních tkání a
prostřednictvím krevního a lymfatického systému do
celého těla, v nových tkáních vyvolávají tvorbu
sekundárních nádorů (metastází)
► Z tohoto pohledu lze klasifikovat nádory na primární a
sekundární.
Klasifikace nádorů II
podle typu buněk (tkání), ze kterých vznikají
► karcinomy – nádory epiteliálních buněk (asi 80-90%
lidských nádorů)
► sarkomy – pevné nádory konektivních tkání – svalů,
kostí, chrupavky
► leukémie a lymfomy - odvozené od
hematopoietických buněk a buněk imunitního systému
► neuroektodermální - nádory odvozené z nervové
tkáně
► germinální nádory – odvozené z totipotentní
zárodečné buňky
Klasifikace nádorů III
podle postiženého orgánu nebo tkáně
► karcinom plic
► kolorektální karcinom
► nádor prsu
► akutní myeloidní leukémie
► a mnoho dalších
Klasifikace solidních nádorů v praxi
Co všechno stanovuje patolog?
► typing
► grading
► staging
► rating
„Typing“
Přesný typ nádorového procesu. Vychází ze závazných
klasifikací, obvykle doporučených WHO. Každá jednotka má
přidělen svůj unikátní číselný kód ICDO (International
Classification of Diseases for Oncology)
Např. kód 8850/0 je lipom.
První číslo za lomítkem označuje biologické vlastnosti:
0: benigní
1: nejisté chování
2: carcinoma in situ
3: maligní
6: metastáza
Např. kód 8850/3 je liposarkom.
„Grading“
Stupeň diferenciace (jak moc se nádorové buňky podobají
normálním buňkám)
G1: dobře diferencovaný nádor s dobrou prognózou
G2: středně diferencovaný nádor s prostřední prognózou
G3: málo diferencovaný nádor se špatnou prognózou
Příklad: karcinom močového měchýře
Grade 1 Grade 2 Grade 3
dobře diferencované středně diferencované málo diferencované
„Staging“
Anatomický rozsah choroby (jak dalece je nádor rozšířen) podle
světově unifikovaných systémů.
Každá topika má svůj vlastní systém. Kategorizace podle velikosti
a anatomických bariér, které nádor svým růstem překonal.
Příklad: karcinom močového měchýře
T1: malý lokalizovaný nádor
T2: větší, ale ohraničený uvnitř
orgánu
T3: nádor na hranici orgánu
T4: nádor, který se lokálně rozšířil
do dalších orgánů
„Rating“
Změny detekovatelné na molekulární úrovni.
► Některé jsou přímo diagnostické pro danou nosologickou
jednotku (např. specifické chromozomální translokace u
lymfomů či některých sarkomů, specifický imunofenotyp u
lymfomů či leukémií).
► Jiné mají vysokou prognostickou váhu a tím bezprostřední
vliv na volbu terapie (např. amplifikace genu N-myc u
neuroblastomu, amplifikace HER2/neu u karcinomu prsu).
► Další molekuly jsou cílem protinádorových léčiv a jejich
přítomnost/stav v buňce predikují účinnost této léčby (např.
Herceptin, Rituximab, Glivek,..).
Kancerogeneze
Je proces vzniku a vývoje nádoru
► je vícestupňový proces
► podstatou kancerogeneze je postupné hromadění
genetických (a epigenetických) změn
Neoplastická transformace - je přeměna somatické
buňky v buňku nádorovou
Podstatou kancerogeneze je postupné hromadění
genetických změn
Jsou nádory monoklonální nebo
polyklonální?
Jsou nádory monoklonální nebo
polyklonální?
► obecný konsensus říká, že nádory jsou většinou monoklonální a
jejich vývoj začíná jedinou odrodilou buňkou.
Histologická skladba nádoru
1. Nádorové stroma
► mezenchymální tkáňové složky: cévní
komponenty, podpůrné mezenchymální tkáně,
lymfocyty, makrofágy,..
► slouží hlavně k výživě parenchymu a jako
kostra pro uspořádání parenchymu
► transportní úloha (přenos signálů, rezervoár
růstových faktorů…)
► klíčová úloha při nádorové angiogenezi a
metastázování
2. Nádorový parenchym
► vlastní nádorově transformovaný
parenchym/buňky
Kolik a které geny jsou změněny
během kancerogeneze?
► Nádor není monogenní onemocnění.
► Odhaduje se, že pro vývoj nádoru je nezbytných 4-7 událostí
(zásahů).
► Konkrétních genů, které mohou být během kancerogeneze
změněny, jsou desítky, stovky.
► Obecně existuje šest (sedm?) základních vlastností plně
maligního nádoru:
Šest získaných vlastností
maligního nádoru
(Robert A. Weinberg 2000)
Soběstačnost v produkci růstových signálů
Necitlivost k signálům zastavujícím b.c.
Poškození apoptózy
Neomezený replikační potenciál
Posílení angiogeneze
Tvorba metastáz
+ nestabilita genomu jako podmínka akumulace všech
nutných změn.
Kancerogeneze má individuální
průběh
Individuální je ► pořadí zásahů
► počet zásahů
► konkrétní zasažené geny
Regulace buněčného cyklu
Rakovina jako nemoc buněčného cyklu?
► Ztráta regulace buněčného cyklu je kritická součást buněčné
transformace.
► Ztráta regulace buněčného cyklu není jedinou součástí
kancerogeneze, většinou sama o sobě není plně transformující
G1 fáze - zdvojení buněčné hmoty,
buňka roste, tvoří se RNA a proteiny,
připravuje se zásoba nukleotidů a enzymů
pro replikaci DNA
S fáze - DNA se replikuje na dvojnásobné
množství
G2 fáze - zdvojování organel, tvorba
struktur potřebných pro dělení buňky –
mitotické vřeténko
M fáze - dělení jádra (karyokineze), dělení
buňky (cytokineze), výsledkem jsou dvě
buňky o stejném počtu chromozómů
G0 fáze - stárnoucí nebo dlouhodobě se
nedělící buňky
Regulace buněčného cyklu
Klíčové molekuly buněčného cyklu
- každá fáze cyklu je katalyzována specifickými komplexy
cyklin dependentní kinázy CDK a cyklinu
CDK
- fosforylují své substráty
- mají katalytickou a
regulační podjednotku,
aktivita závislá na cyklinu
cykliny
- jejich hladina kolísá v
závislosti na fázi b.c.
- v příslušné fázi cyklu
aktivují příslušnou CDK,
pak jsou rychle
odbourany
Regulace buněčného cyklu
Cell cycle clock:
- označuje mechanizmus kontroly všech možných signálů
přicházejících zevnitř i vnějšku buňky a rozhoduje tak o dalším
osudu buňky – jestli vstoupí do aktívního buněčného cyklu
nebo naopak ustoupí do neproliferačního stavu
► kontrola poškození DNA
► dostatek živin (mitogény)
► signály apoptózy
► dokončená syntéza DNA
…
Regulace buněčného cyklu
Kontrolní bod v G1 = restrikční bod
- těsně před vstupem do S fáze
- klíčové rozhodnutí, zda se bude buňka dělit, dělení bude oddáleno,
nebo buňka vstoupí do klidové fáze G0
- příjem signálů z vnějšího prostředí - mitogenni stimulace navozuje
buněčný cyklus
- řízen především CKI-p16 - inhibuje komplex CDK4/6-cyklinD1
- růstové faktory → komplex CDK4/6-cyklinD1 → pRb → E2F → cyklin E →
dělení buňky
Kontrolní bod v G2
- bezprostředně před dělením
- kontrola mnohých vnitřních faktorů
Kontrolní bod v anafázy
- kontrola jsou-li všechny chromozomy navázány na kinetochorové
mikrotubuly dělícího vřeténka
Regulace buněčného cyklu
pRB - spinač buněčneho cyklu
► v málo fosforylovaném nebo
nefosforylovaném stavu blokuje
průchod bodem restrikce:
interaguje s E2F a blokuje schopnost
transaktivovat cílové geny, nutné
pro S fázi
► fosforylaci ztrácí schopnost vázat
E2F a průchod bodem restrikce je tak
možný
► hladina proteinu pRB se v buňkách
nemění během b.c., ale mění se
stupeň fosforylace
Poškození u nádorové transformaci:
- nádorový supresor pRB → retinoblastom
- nádorový supresor p16, p15, p27 (inhibitory CDK) → melanom
- protoonkogeny cykliny (amplifikace, translokace):
cyklin D1 → nádor prsu
Poškození apoptózy
► Rychlost růstu tkání je určována na jedné straně
rychlostí buněčného dělení a na straně druhé
rychlostí buněčné smrti.
► Při homeostáze jsou oba procesy v rovnováze.
► U nádoru je rovnováha mezi buněčným dělením a
buněčnou smrtí porušena.
Apoptóza
► postihuje jednotlivé buňky
► indukována fyziologickými stimuly (nedostatek růstových
faktorů, změny hormonálních hladin, ..)
► fagocytóza okolních buněk nebo makrofágy
► žádná zánětlivá reakce
Nekróza
► týká se skupiny postižených buněk
► vyvolána nefyziologickým poškozením (virová infekce, hypotermie, hypoxie ...)
► fagocytóza makrofágy
► významná zánětlivá reakce
Poškození apoptózy
Apoptóza je fyziologický proces
Buněčná smrt se v mnohobuněčném organismu objevuje během
celého vývoje. Je součástí embryogeneze a organogeneze:
► hormonálně regulovaná involuce „pulčího“ ocasu během
vývoje
► odumírání neuronů během vytváření CNS
► odumírání buněk během tvorby končetin,…
Apoptóza odstraňuje škodlivé buňky:
► negativní selekce autoreaktivních lymfocytů
► smrt buněk rozpoznaných jako buněk napadených virem
► buňky s mutací DNA
Poškození apoptózy
První model pro studium molekulárních mechanismů apoptózy
Caernohabditis elegans
CED 3
CED 4
CED 9EGL 1
kaspáza 3
kaspáza 9 kaspáza 8
FADD
CD95
Bax
Bcl-2
► vnější cesta – receptorová
vazba ligandu na receptor smrti → prokaspáza 8
► vnitřní cesta
signalizací (např. p53) aktivovaný systém Bcl-2/Bax →
mitochondrie → apoptozóm → prokaspáza 9
Poškození apoptózy
► úloha mitochondrií v apoptóze
Pro průběh apoptózy je klíčové vytvoření apoptozómu, proteinového
komplexu, který je nutný k aktivaci iniciační kaspázy. Apoptozóm
je tvořen cytochromem C, Apaf-1 a prokaspázou-9. Kritické pro
vytvoření apoptozómu je uvolnění cytochromu C z mitochondrií.
► Cytochrom C je v mitochondriích
uložen mezi vnější a vnitřní
mitochondriální membránou.
Poškození apoptózy
► úloha mitochondrií v apoptóze
cytochrom C
apoptozóm
kaspáza 9
prokaspáza 9
Apaf-1
signál prožití
IGF
IAP
Smac/Diablo
Poškození apoptózy
► p53 = strážce genomu
Poškození apoptózy
► p53 a regulace BC
Poškození apoptózy
► p53 a regulace BC
Poškození apoptózy
Nádory používají nejrůznější strategie, jak zmenšit šanci na vstup
do apoptózy. Buď snižují hladinu/aktivitu proapoptotických
(zeleně) proteinů, nebo zvyšují hladinu/aktivitu
antiapoptotických (modře) proteinů.
► up-regulace bcl-2 (chromozomální translokací) v lymfomech
► up-regulace faktorů přežití IGF-1, IGF-2
► mutace receptoru smrti Fas
► down-regulace Fas
► mutace Bax
► inaktivace p53 (regulace apoptozy přes transaktivaci Bax a přímá
regulace mitochondrií)
► u některých nádorů je zvýšená exprese survivinu (IAP protein
obsahující BIR)
Replikační potenciál
Stárnutí buněk
► normální diploidní buňky se nemohou dělit nekonečně,
ale mají naprogramovaný (tzn. určený vnitřními faktory)
konečný počet buněčných dělení, kterými mohou projít
► po dosažení tohoto počtu dělení se u buněk vyvine
senescentní fenotyp: buňky změní morfologii, jsou nadále
metabolicky aktivní, ale nedělí se.
► blok buněčného cyklu je ve stárnoucích buňkách udržován
signalizací přes proteiny p53/p21 a p16/RB.
► Poškození těchto signalizací – buňky se mohou stát
nesmrtelnými.
Replikační potenciál
Telomery jsou repetitivní sekvence na koncích lineárních
chromozomů, na které se váží proteinové komplexy. Jejich
hlavní funkcí je ochrana konců lineárních chromozomů
Telomeráza je ribonukleoproteinový enzym, který je nutný pro
kompletní replikaci konců DNA, tj. pro udržování stabilní
délky telomer.
Většina buněk neexprimuje telomerázu a telomery se proto
progresivně zkracují při každém buněčném dělení. To souvisí
s problémem neúplné replikace chromozomů
Při dosažení kritické délky telomer jsou indukovány signály,
které navodí stav senescence. Při dalším dělení (inaktivace p53 a RB) se
telomery dále zkracují a způsobují chromozomální nestabilitu, která
vyvolá krizi.
Zkracování telomer funguje jako mitotické počítadlo, které určuje
proliferativní kapacitu všech buněčných typů, které nemají
telomerázovou aktivitu.
Replikační potenciál
Buňky s aktivní telomerázou:
► Zárodečné buňky
► Některé kmenové buňky
► Některé somatické buňky za určitých fyziologických
podmínek:
- buňky endometria ve vztahu k proliferaci během
menstruačního cyklu
- mitogenně stimulované lymfocyty
- buňky v proliferativní zóně střevních krypt
- buňky proliferativní bazální vrstvy kůže
- buňky lobulárního endotelia prsu během těhotenství
► Nádorové buňky: 85-90% všech nádorových buněk má aktivní
telomerázu! K aktivaci telomerázy dochází v pozdních stadiích
kancerogeneze.
Replikační potenciál
Telomery a stárnutí
► Hutchison-Gilford progeria
- zrychlené stárnutí již od 2 let; kratší postava, abnormální
držení těla, typický fenotyp stárnutí: holohlavost, ztuhlost
kloubů, atrofická a vrásčitá kůže, ateroskleróza, stav cév –
angina pectoris, infarkt myokardu…
- fibroblasty těchto pacientů mají kratší telomery než
fibroblasty kontrol, vstupují do fáze senescence rychleji
► Wernerův syndrom
- předčasné stárnutí včetně vaskulárních nemocí, diabetes
mellitus, katarakta (šedý oční zákal), atrofie kůže, šedivé
vlasy, nádory, průměrná délka života 47 let
► Trisomie 21 – Downův syndrom
- zrychlené stárnutí
- délka telomer lymfocytů se zkracuje 3x rychleji než u
zdravých jedinců
Posílení angiogeneze
► Schopnost nádoru indukovat proliferaci nových krevních
vlásečnic.
► Má vliv na růst primárního nádoru, schopnost tvořit metastázy a
na růst sekundárního nádoru
► Nádor bez angiogeneze doroste maximálně do několika
milionů buněk (několik kubických milimetrů) - nedoroste do
klinicky detekovatelné velikosti
 tím je schopnost tvořit metastázy omezena (nikoli vyloučena! dormantní
mikrometastazy - např. nadoru prsu do plic).
Angiogeneze je nutná pro maligní fenotyp nádoru, ale není
dostatečná - tj. i benigní nádory mohou být angiogenní.
Posílení angiogeneze
Vaskulogeneze - endoteliální buňky de novo diferencuji z
mezodermálních progenitorů (angioblastů a hemangioblastů) a
proliferují in situ v původně avaskulární tkáni. Proces je nezávislý na
stávajících cévách. Uplatňuje se zejména při tvorbě primitivních
embryonálních cév.
Angiogeneze - následuje vaskulogenezi, uplatňuje se v hojení ran,
embryogenezi, ovulaci…
Posílení angiogeneze
Posílení angiogeneze
Nádorová vaskulatura je funkčně i strukturně abnormální
► Nádorová vaskulatúra je vysoce neorganizovaná: kapiláry se
nepravidelně kroutí, jsou roztažené, s nepravidelným průměrem, s
nadměrným větvením, přerušované, nezralé, bez souvisle bazálni
membrany, teměř bez podpůrnych buněk pericytů,.…
► Tok krve je chaoticky a velice různý v různých částech systému.
Proto vznikají v nádoru místa s hypoxii a nadměrnou kyselosti.
Na neovaskulariyaci se podílí:
• VEGF a receptory VEGFR
• Angiopoietiny a receptory Tie
• inhibítor trombospondin (regulován p53)
Posílení angiogeneze
VEGF a receptory VEGFR
►VEGF vaskulární endoteliální růstový faktor
► první charakterizovaný faktor specifický pro
vaskularizaci
► Je kritický pro iniciaci vaskulogeneze i pro
angiogenní
větvení.
► Popsáno 6 různých VEGF faktorů a 4 různé
receptory:
- všechny faktory mají podobnou strukturu a
překrývajíci se
specificitu - všechny jsou schopny interagovat
s receptory a indukovat je. Jsou označeny jako
VEGF-A až E
Posílení angiogeneze
VEGF a receptory VEGFR
►VEGF je kritický vaskulární regulátor - jeho
hladina musí být perfektně regulována
► Poškození i jediné alely VEGF je u myši letální
během embryonálního vývoje. Na druhou
stranu se zda, že je celkem postradatelný v
dospělosti.
► Nadměrná exprese VEGF (nebo samotné
podání VEGF) v dospělých tkáních vede k
tvorbě propustných vlásečnic,
které vedou ke krvácení, a to vyvolává
zánětlivou reakci a otoky
Posílení angiogeneze
Angiopoietiny a receptory Tie
►Popsány alespoň čtyři typy angiopoetinů
Ang1 až 4 a dva typy receptorů Tie1 a Tie2.
► Ang1 je nezbytný k udržování klidového
stádia a stability již zralé vaskulatúry.
► Naopak porušení této stability je nezbytné
pro reiniciaci přestavby vaskulatúry v
dospělosti (např. reprodukčni system žen),
ktera je zajištěna působenim antagonisty Ang1
a to Ang2.
► Angiopoetiny tvoří nejvýznamnější partnery
faktorů VEGF při tvorbě vaskulatúry.
► Angiopoietiny se važi primarně na Tie2; Tie1
je vazebnym mistem spiše jako součast
heterodimeru.
Posílení angiogeneze
Tvorba metastáz
► Metastázy jsou nejzhoubnějším jevem při nádorovém
onemocnění a jsou příčinou asi 90 % úmrtí pacientů s nádorovým
onemocněním.
► Méně častou příčinou je bezprostřední působení primárního
nádoru. Většina primárních nádorů vzniká jako benigní a jsou
relativně neškodné. Leda, že narůstající masa utlačuje vitální
organy (nádory mozku) nebo uvolňuje nebezpečné množství
hormonů.
• Langerhansovy ostrůvky - nadprodukce inzulinu - hypoglykemie
• Thyroidní adenomy (premaligni epitelialni růst) mohou způsobit
uvolněni nadměrného množství thyroidního hormonu, což vede k
hyperthyroidismu.
• Adenomy hypofýzy mohou uvolňovat do oběhu nadměrné množství růstového
hormonu
• Leukémie, lymfomy
► Více než 70 % pacientů s invazivnim nadorem ma
zjevně nebo skryte metastázy v době stanoveni diagnózy.
Tvorba metastáz
Metastatická kaskáda
1. Uvolnění nádorové buňky z
primárního nádoru (lokální invaze).
2. Prostoupeni ECM a bazální
membrány, vstup do cirkulačního
systému (intravazace).
3. Migrace cirkulačním systémem.
4. = 2 (extravazace).
5. Tvorba sekundárního nádoru
(kolonizace).
Tvorba metastáz má fyziologickou
podstatu
► Nádorová invaze může být
deregulovanou formou
fyziologických invazivních procesů
(prorůstání neurálních výběžků během
vývoje mozku, remodelace tkání, tvorba
cévního systému, hojení ran)
Tvorba metastáz
Mechanismus invaze nádorových buněk
► Invazi lze chápat jako pohyb buněk spojeny s regulovanou
adhezí a uvolňováním adheze (od ECM, mezi buňkami navzájem)
a proteolýzou ECM.
► Při remodelaci ECM musí existovat souhra mezi degradací
(ECM) a procesem, který inhibuje proteolytické enzymy, aby byla
umožněna postupná adheze.
Tvorba metastáz
Epiteliální mezenchymální tranzice – EMT
► Vývojový program, biologický proces, který umožňuje
polarizovaným epiteliálním buňkám, které normálně interagují s
bazální membránou, prodělat četné biochemické změny, které
jim umožní získat fenotyp mezenchymálních buněk, jako
zvýšenou migrační kapacitu, invazivitu, zvýšenou rezistenci k
apoptóze a zvýšenou produkci komponent ECM.
► Dokončeni EMT se projevuje degradaci bazální membrány a
vznikem mezenchymálních buněk, které migruji z epiteliální
vrstvy, kde vznikly.
► Tento program transdiferenciace může byt aktivován během
vývoje, ale i v dospělosti, například v souvislosti s reparaci tkání,
patologickým stresem (zánět).
Tvorba metastáz
Epiteliální mezenchymální tranzice – EMT
► Transice/přepnutí epiteliální buňky v buňku mezenchymálni
vyžaduje změnu morfologie, buněčné architektury, adheze a
migrační kapacity.
Fenotypické znaky
• zvýšena migrační kapacita
• trojrozměrná invaze
• rezistence k anoikis, k apoptóze
Molekulární znaky
• zvýšená exprese N-kadherinu a vimentinu
• jaderna lokalizace s-kateninu
• zvýšená produkce transkripčních faktorů jako Snail 1, Snail2,
Twist, EF1/ZEB1, SIP1/ZEB2
• inhibice exprese E-kadherinu
Tvorba metastáz
Tvorba metastáz
Úloha adhezivních komplexů při tvorbě metastáz
► Každý krok při tvorbě metastáz zahrnuje zrušení stávajících a
ustavení nových adhezívních interakcí.
► Adhezivní interakce jsou funkci buněčných receptorů, jejichž
exprese a funkce je přísně regulována.
► Nádorové buňky jsou obecně méně adhezivní než buňky
normální a vytvářejí méně extracelulární matrix.
Hlavní skupiny adhezivních receptorů:
► Kadheriny
► Integriny
► Imunoglobulinova nadrodina
► Selektiny
Tvorba metastáz
Orgánově specifické metastazování
► Nádory prsu často metastazují do kosti a plic a méně často do
jater a mozku.
► Nádory prostaty preferenčně metastazují do kosti.
► Pacienti s kolorektálnimi nádory mají často metastázy v játrech.
► Melanomy mají tendenci metastazovat do jater.
► Neuroblastomy, karcinomy štítné žlazy, prostaty, ledvin
metastazuji nejčastěji do kosti.
► Nádory ledvin, trávicího traktu a plic často metastazují do
mozku.
Teorie „seed and soil“ - Stephen Paget, 1889
Tvorba metastáz
Způsoby šíření nádoru
► hematogenní - šíření cévním
systémem
► lymfogenní - šíření lymfatickým
systémem (posléze může vstoupit do
žilního systému)
► porogenní - šíření tělními dutinami
Tvorba metastáz
To zda vzniknou metastázy ovlivňuje několik faktorů:
► Druh nádoru - Ne všechny druhy nádorů jsou schopny
metastázovat. Například retinoblastom klasicky vytváří metastázy,
ale jeho blízký příbuzný retinocytom je přísně benigní.
► Velikost primárního tumoru - Zde platí jednoduchá úměra, čím
větší je nádor, tím více vytvoří metastáz.
► Angiogenní procesy - Opět platí, že čím pokročilejší je
angiogenní činnost tumoru, tím pravděpodobněji bude
metastázovat.