Karel Souček E-mail: ksoucek@ibp.cz, tel.: 541 517 166 Mechanismy karcinogeneze – úvod Part 2: Toxicity—Chemical Carcinogenesis | Aceites esenciales dōTERRA * Organizmus mnohobuněčných živočichů funguje jako společenství buněk, * buňky v rámci těchto společenství mají svoji funkci (zodpovědnost) a podléhají pravidlům a regulacím (např. prostřednictvím změny genové exprese), * genetické a epigenetické změny mohou způsobit ztrátu této kontroly a pravidel a vést ke vzniku rakoviny – neřízenému bujení buněk, * typická maligní buňka se vyvíjí po řadu let, akumuluje v sobě kritické mutace v genech klíčových pro kontrolu buněčného dělení, smrti, opravy DNA, komunikace a dalších, * postupně získává selektivní výhody, které vedou ke vzniku buněčného klonu schopného zahubit celý organismus. Základní principy a znaky karcinogeneze * Nádory vznikají ze zdravých buněk normálních (tělu vlastních) tkání * Nejčastěji z rychle se obnovujících tkání – žláznaté epitely, střevo, kůže (celkem > 200 různých druhů nádorů) * Nízká incidence – neproliferující buňky – srdce, nervy * Keckesova Z, et al. (2017) LACTB is a tumour suppressor that modulates lipid metabolism and cell state. Nature * Mezidruhové výjimky – Peto’s paradox Základní principy a znaky karcinogeneze Serine beta-lactamase-like protein, mitochondrial * velryba má 1000x více buněk než člověk a myš jich má 1000x méně, avšak riziko rakoviny napříč druhy nekoreluje s počtem somatických buněk ani délkou života Peto’s paradox An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is 12915_2017_401_Fig1_HTML.jpg An illustration of Peto’s Paradox. Cancer is a disease of uncontrolled cell growth and division, and the risk of developing cancer increases with the number of cell divisions during the lifetime of an organism. Thus, the expected cancer rate for large and/or long-lived species is higher than for smaller short-lived ones. The solid red line indicates a linear relationship between cancer rate and (body mass)*(lifespan) and the dashed red line represents an approximation of the expected cancer rate assuming a model describing the probability of an individual developing colorectal cancer after a given number of cell divisions [4]. The solid blue line represents the observation that there is no relationship between cancer risk and (body mass)*(lifespan) [5]. For instance, cancer risk, which is 11–25% in the human population, is not vastly different between mice and humans. In contrast, cancer risk was estimated to be 5% in elephants [5]. Metastatic cancer was found in a duck-billed dinosaur [26], suggesting cancer was common enough in that lineage to be preserved in the fossil record, but not in other species of large dinosaurs. While adult body mass is approximately the same for the dinosaur and the elephant, duck-billed dinosaurs are thought to have had a shorter lifespan [28, 31]. This suggests that the trade-offs between reproduction and growth and cancer defense mechanisms [22] left these dinosaurs more susceptible to cancer than elephants * Slon – 20 kopií genu p53 * * * • * Velryba grónská, nejdéle žijící savec (až 200 let) * * * * * Rypoš lysý, hlodavec dožívající se 30-ti let Výjimky a možná vysvětlení The naked mole rat offers hope for future cancer treatments (Credit: Alamy) Bowhead whales can live for 200 years (Credit: Visual&Written SL/Alamy) Elephants have enhanced defences against cancer (Credit: Credit: Eric Nathan/Alamy) * Nádory vznikají ze zdravých buněk normálních (tělu vlastních) tkání * Nejčastěji z rychle se obnovujících tkání – žlaznaté epitely, střevo, kůže (celkem > 200 různých druhů nádorů) * Nízká incidence – neproliferující buňky – srdce, nervy * Keckesova Z, et al. (2017) LACTB is a tumour suppressor that modulates lipid metabolism and cell state. Nature * Mezidruhové výjimky – Peto’s paradox * Novotvar nemá normální fyziologickou funkci a narušuje homeostázu tkáně a organizmu * ovlivňuje své mikroprostředí a následně celý organizmus (krvetvorba, sekreční aktivita, metabolické a hormonální změny) * Nekontrolovaně roste a v řadě případů diseminuje do vzdálených orgánů * > 90% umrtí je způsobeno sekundárními nádory Základní principy a znaky karcinogeneze * Mutace * trvalá změna nukleotidové sekvence genomu * mnoho typů, různý způsob vzniku, různé důsledky na funkci * zárodečné x somatické buňky * Onkogen * gen způsobující nádorové onemocnění * např. vznik změnou (mutací, výšenou expresí, …) z normálního genu (protoonkogenu), virového původu (onkoviry) * Epigenetická změna * změna v genové expresi, která není podmíněna změnou v nukleotidové sekvenci DNA * Iniciovaná/transformovaná buňka * buňka se změněnou genetickou informací. Vzniká spontánně nebo je indukována viry, chem. látkami nebo fyzikálními faktory. Má potenciální schopnost stát se nádorovou nebo maligní * Benigní nádor * je lokální rozrůstání iniciované buňky, zůstává v místě vzniku, nemigruje * Maligní nádor * nádor se schopností vrůstat do tkání a rozšiřovat se do vzdálených míst krevním nebo lymfatickým řečištěm, vytváří metastázy * Maligní transformace * přeměna buňky s normálními růstovými vlastnostmi na buňku maligní ztrácející schopnost adekvátně reagovat a odpovídat na růstové signály. Základní pojmy * Nestarší písemné záznamy z období ~ 1600 – 2500 let př. n. l. * Papyrus Edwina Smithe, starověký Egypt, popis 48 chirurgických případů, 8 případů rakoviny – označené jako neléčitelné, beznadějné * důkazy patrné na kosterních a mumifikovaných pozůstatcích * Např. Binder M, et al. (2014) On the Antiquity of Cancer: Evidence for Metastatic Carcinoma in a Young Man from Ancient Nubia (c. 1200BC). PLoS ONE 9(3):e90924. * řecký lékař Hippokratés (460-370 př. n.l.) * použil termíny carcinoma a carcinos k popsání nádorů tvořící nebo netvořící vředy, v řečtině toto slovo odkazuje na „raka“ * římský spisovatel Celsus (28-50 př. n.l.) * přeložil řecký termín jako cancer (latinsky rak) * řecký lékař Galén (130-200 n.l.) * použil slovo oncos (otékání) * * cancer, rakovina * oncos, onkologie * * Historie https://scielo.conicyt.cl/fbpe/img/rmc/v140n10/art20-fig3.jpg http://journals.plos.org/plosone/article/figure/image?size=large&id=info:doi/10.1371/journal.pone.0 090924.g011 Výsledek obrázku Výsledek obrázku * 1889 – „Seed and soil“ hypotéza metastázování * "When a plant goes to seed, its seeds are carried in all directions, but they can only live and grow if they fall on congenial soil." * Paget, S. The distribution of secondary growths in cancer of the breast. Lancet 1, 571–573 (1889) | Article | * Hart, I. R. & Fidler, I. J. Role of organ selectivity in the determination of metastatic patterns of B16 melanoma. Cancer Res. 40, 2281–2287 (1980) | PubMed | ISI | ChemPort | * 1890 – cancer as a genetic diseases * první popis aberantních mitóz u nádorových buněk * von Hansemann, D. Ueber asymmetrische Zelltheilung in epithel Krebsen und deren biologische Bedeutung. Virchow's Arch. Path. Anat. 119, 299 (1890) * 1909 – immune surveillance * předpoklad zapojení imunitního sytému do suprese rozvoje nádorového onemocnění * Ehrlich, P. Über den jetzigen stand der karzinomforschung. Ned. Tijdschr. Geneeskd. 5, 273–290 (1909) * 1910 – Viruses and cancer * Objev transplantovatelnosti ptačích nádorů a jejich přenos pomocí nebuněčného filtrátu, Nobelova cena až v roce 1966 * Rous, P. A transmissible avian neoplasm (sarcoma of the common fowl). J. Exp. Med. 12, 696–705 (1910) | Article | * Rous, P. Transmission of a malignant new growth by means of a cell-free filtrate. JAMA 56, 198 (1911) * 1915 – Hormones and cancer * Popis vlivu ovariálních folikulů na rozvoj nádorů u myší, 8 let před objevem estrogenu * Lathrop, A. E. C. & Loeb, L. Further investigations on the origin of tumors in mice. III. On the part played by internal secretion in the spontaneous development of tumors. J. Cancer Res. 1, 1–19 (1915) • * Milníky Milestone 4From hens to eternity Milestone 3Hide and seek Milestone 1 Observations from a ploughman Milestone 5The enemy within * 1915 - first induction of tumors by chemical carcinogens * První pozorování úspěšné indukce nádoru po opakované expozici chemickým karcinogenem * Yamagiwa K, Ichikawa K. Experimentelle Studie über die Pathogenese der Epithelialgeschwülste (1. Mitteilung) Mitteil Med Fakultät Kaiserl Univ Tokyo. 1915;15:295–344. * 1937 – cancer stem cells * Důkaz, že jedna leukemická buňka je schopná indukce systémového onemocnění u myši * Furth, J. & Kahn, M. C. The transmission of leukaemia of mice with a single cell. Am J. Cancer 31, 276–282 (1937) * 1939 – angiogenesis * Pozorování neoangiogeneze u experimentálního nádoru králíka * Ide, A. G. et al. Vascularization of the brown Pearce rabbit epithelioma transplant as seen in the transparent ear ch * 1950 – smoking and cancer * První klinické studie odhalující asociaci mezi kouřením a rakovinou plic * Wynder, E. L. & Graham, E. A. Tobacco smoking as a possible etiologic factor in bronchiogenic carcinom * 1953 – Two-hit hypothesis * modelový předpoklad (potvrzující epidemiologická data), že se většina nádorových rozvíjí ve dvou krocích z nichž jeden nebo oba mohou zahrnovat somatické mutace * Nordling, C. O. A new theory on cancer-inducing mechanism. Br. J. Cancer 7, 68–72 (1953) | PubMed | ISI | C * 1960 – Chromosome translocations * Identifikace malých chromozomů (produkty translokace) u CML * Nowell, P. C. & Hungerford, D. A. A minute chromosome in human chronic granulocytic leukemia. Science 132, 1488–1501 (1960)| Milníky Milestone 8Smoking gun Milestone 9It takes (at least) two to tango Milestone 10Cutting and pasting chromosomes * 1971 – tumor suppressor genes * Důkaz, že inaktivace oblasti chromozomu nesoucí RB1 gen koreluje s incidencí nádorů * Harris, H. Cell fusion and the analysis of malignancy. Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 179, 1–20 (1971) * 1972 – apoptosis and cancer * Vyslovení předpokladu s specifické úloze apoptózy v karcinogenezi * Kerr, J. F., Wyllie, A. H. & Currie, A. R. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics. Br. J. Cancer 26, 239–257 (1972) | PubMed | ISI | ChemPort | * 1975 – tumor microenviroment * Experimentální důkaz o vlivu nádorového protředí na chování nádorových buněk * Mintz, B. & Illmensee, K. Normal genetically mosaic mice produced from malignant teratocarcinoma cells. Proc. Natl Acad. Sci. USA 72, 3585–3589 (1975) | Article | PubMed | ChemPort | * 1976 – clonal evolution & multistep tumourigenesis * koncept darwinovské evoluce a postupné nádorové progrese * Nowell, P. C. The clonal evolution of tumor cell populations. Science 194, 23–28 (1976) | A * 1978 – Oncogenes encode proteins that regulate cell growth * Odhalení funkce src onkogenu * Levinson, A. D., Oppermann, H., Levintow, L., Varmus, H. E. & Bishop, J. M. Evidence that the transforming gene of avian sarcoma virus encodes a protein kinase associated with a phosphoprotein. Cell 15, 561–572 (1978) | Article | PubMed | ISI | ChemPort | * 1979 – First human oncogene * Důkaz transformace buněk přenosem DNA z chemicky mutovaných buněk * Shih, C., Shilo, B. Z., Goldfarb, M. P., Dannenberg, A. & Weinberg, R. A. Passage of phenotypes of chemically transformed cells via transfection of DNA and chromatin. Proc. Natl Acad. Sci. USA 76, 5714–5718 (1979) | PubMed | ChemPort | Milníky Milestone 13Environmental awareness Milestone 14Step by step * 1983 – Oncogene cooperation * Důkaz kooperace mezi MYC and RAS onkogeny * Land, H., Parada, L. F. & Weinberg, R. A. Tumorigenic conversion of primary embryo fibroblasts requires at least two cooperating oncogenes. Nature 304, 596–602 (1983) | Article | PubMed | ISI | ChemPort | * 1983 – Cancer epigenetics * první popis rozdílu metylačního statusu určitých genů u zdravých a nádorových buněk * Feinberg, A. P. & Vogelstein, B. Hypomethylation distinguishes genes of some human cancers from their no * 1989 – Cell cycle and DNA damage checkpoints * Objev mechnismu funkce RB proteinu v regulaci buněčného cyklu a jeho interakce s SV40 T-large antigenem * DeCaprio, J. A. et al. The product of the retinoblastoma susceptibility gene has properties of a cell cycle regulatory element. Cell 58, 1085–1095 (1989) | Article | PubMed | ISI | ChemPort | * 1990 – Genetic basis for cancer predisposition * první objevy dědičných mutací spojených s predipozicí k nádorovýcm onemocněním * Call, K. M. et al. Isolation and characterization of a zinc finger polypeptide gene at the human chromosome 11 Wilms' tumor locus. Cell 60, 509–520 (1990) | Article | PubMed | ISI | ChemPort | Milníky * 1999 – Cancer profiling * První aplikace profilování genové exprese pro klasifikaci nádorů * Golub, T. R. & Slonim, D. K. et al. Molecular classification of cancer: class discovery and class prediction by gene expression monitoring. Science 286, 531–537 (1999) | Article | PubMed | * 2001 – Targeted cancer therapy * První aplikace molekulárně cílených léčiv * Slamon, D. J. et al. Use of chemotherapy plus a monoclonal antibody against HER2 for metastatic breast cancer that overexpresses HER2. N. Engl. J. Med. 344, 783–792 (2001) | Article | PubMed | ISI | ChemPort | * Druker, B. J. et al. Efficacy and safety of a specific inhibitor of the BCR–ABL tyrosine kinase in chronic myeloid leukemia. N. Engl. J. Med. 344, 1031–1037 (2001) | Article | PubMed | ISI | ChemPort | * Demetri, G. D. et al. Efficacy and safety of imatinib mesylate in advanced gastrointestinal stromal tumors. N. Engl. J. Med. 347, 472–480 (2002) | Article | PubMed | ISI | ChemPort | * Lynch, T. J. et al. Activating mutations in the epidermal growth factor receptor underlying responsiveness of non-small-cell lung cancer to gefitinib. N. Engl. J. Med. 350, 2129–2139 (2004) | Article | PubMed | ISI | ChemPort | Milníky Historie Současnost? https://i2-prod.mirror.co.uk/incoming/article10062742.ece/ALTERNATES/s615b/PAY-WORLD-BIGGEST-CYST-R EMOVED-WHOLE.jpg Dr. Erik Hanson Viana holding the giant cyst (Image: Caters News Agency) https://www.mirror.co.uk/news/uk-news/woman-worlds-largest-cyst-five-10062677 https://medicalopedia.org/wp-content/uploads/2012/02/300-Pound-Tumour-Worlds-Biggest-Tumor-Removed- from-a-Human-Body-300x208.png A 300 pound tumor from an unnamed 34-year-old woman’s abdomen was removed via a 6 hour surgery in Stanford Hospital, Palo Alto, California on October 1991. https://www.medicalopedia.org/2480/worlds-largest-tumors-the-top-three/ Trend & predikce: data (USA) Line graph showing Number of New Cases and Deaths per 100,000 from 1975-2014 https://seer.cancer.gov/statfacts/html/all.html CSR Figure 2.2: SEER Incidence, Delay Adjusted Incidence and US Death Rates by Race and Sex (Ages <65) Historie – Současnost: data (ČR) http://www.svod.cz/graph/?sessid=l4l6koqvffj1glmd2d74453aa2&typ=incmor&zobrazeni=graph&incidence=1& mortalita=1&vypocet=c&diag=C50,D05 http://www.svod.cz/graph/?sessid=l4l6koqvffj1glmd2d74453aa2&typ=incmor&zobrazeni=graph&incidence=1& mortalita=1&vypocet=c&diag=C61 http://www.svod.cz/graph/?sessid=l4l6koqvffj1glmd2d74453aa2&typ=incmor&diag=C18&pohl=m&kraj=&vek_od =1&vek_do=18&zobrazeni=graph&incidence=1&mortalita=1&mi=0&vypocet=w&obdobi_od=1977&obdobi_do=2015&s tadium=&t=&n=&m=&pt=&pn=&pm=&t=&n=&zije=&umrti=&lecba=## http://www.svod.cz/graph/?sessid=l4l6koqvffj1glmd2d74453aa2&typ=incmor&diag=C25&pohl=m&kraj=&vek_od =1&vek_do=18&zobrazeni=graph&incidence=1&mortalita=1&mi=0&vypocet=w&obdobi_od=1977&obdobi_do=2015&s tadium=&t=&n=&m=&pt=&pn=&pm=&t=&n=&zije=&umrti=&lecba=## Nádor slinivky – klinický příklad https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/Jobs_Cancer_Timeline.png Etiologie The estimated percentage of cancer cases caused by identifiable and/or potentially preventable factors. * I. MESENCHYMOVÉ NÁDORY: * 1. Nádory z pojiva, svaloviny a cév * 2. Nádory z krevních buněk: * a) Hemoblastomy (lymfomy) * b) Hemoblastózy (leukémie) * II. EPITELOVÉ NÁDORY: * 1. Povrchový epitel: * a) Benigní: Papilom * b) Maligní: Karcinomy * 2. Žlázový epitel: * a) Benigní: Adenomy * b) Maligní: Adenokarcinomy * III. NEUROEKTODERMOVÉ NÁDORY: * 1. Nádory CNS * 2. Nádory periferních nervů * 3. Nádory z melanocytů * IV. SMÍŠENÉ NÁDORY: z více druhů místních tkání * V. GERMINÁLNÍ NÁDORY: * 1. Nádory ze zárodečných buněk: Teratom * 2. Nádory z embryonální tkáně tkáně - z trofoblastu * mola hydatidoza (benigní) * Choriokarcinom (maligní) * Dělení nádorů podle histogeneze - podle typu tkáně, ze které nádor vychází * TNM KLASIFIKACE: klinické stanovení rozsahu šíření nádoru a tím i prognózy. * T = tumor: hodnotí velikost nádoru a jeho šíření do okolí. Značí se T1 (malý nádor) až T4 (velký nádor výrazně prorůstající do okolí). * T 0 – žádný nádor neprokázán * T X – není možno se vyjádřit k původnímu nádoru. * N = noduli: hodnotí metastázy v lymfatických uzlinách. * N O – žádné metastázy * N 1 – metastázy ve spádových lymfatických uzlinách * N 2 – metastázy ve vzdálenějších uzlinách * M = metastázy v orgánech: * M 0 – žádné metastázy v orgánech * M 1 – metastázy v orgánech už jsou vytvořeny * Příklad označení tumoru: T1 N0 M0 – znamená malý nádor neprorůstající do okolí bez metastáz v uzlinách a orgánech s dobrou prognózou. * Klasifikace nádorů * GRADING: histologické posouzení malignity nádoru podle stupně buněčné diferenciace. Stanovuje patolog z biopsie. Obecně platí, čím jsou buňky více diferencované a lépe napodobují výchozí tkáň, tím je prognóza lepší. * G 1: dobře diferencovaný nádor z pravidelných buněk a s dobrou prognózou; * G 2: středně diferencovaný nádor z méně pravidelných buněk a horší prognózou; * G3: nízce diferencovaný nádor z nepravidelných buněk různého tvaru a velikosti, špatně napodobující výchozí tkáň s četnými mitózami. Špatná prognóza – předpokládá se rychlý růst a brzké metastázy; * G4: nediferencovaný = anaplastický z nediferencovaných nezralých buněk - velmi špatná prognóza. * POSOUZENÍ MALIGNITY NÁDORU A PROGNÓZA Současný stav https://www.uzis.cz/index.php?pg=vystupy--knihovna&id=259 Je anatomie ta nejlepší cesta k určení účinné terapie? https://www.exponent.com/~/media/practices-capabilities-and-industries/epidemiology/cancer-epidemio logy/cancer_figure2.png?h=488&w=650&la=en&hash=046FAB8795468846F04063CC8666B502CD6A2DC2 https://www.cancer.gov/PublishedContent/Images/research/progress/annual-report-nation/Breast_Cancer _in_Women_infographic.__v400126966.png https://www.cancer.gov/PublishedContent/Images/research/progress/discovery/brca-cancer-risk-infogra phic.__v300143604.jpg Současný stav https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0092867414008769-fx1_lrg.jpg Hoadley KA, et al. (2014) Multiplatform Analysis of 12 Cancer Types Reveals Molecular Classification within and across Tissues of Origin. Cell 158(4):929-944. Tracking the clonal origin of lethal prostate cancer Michael C. Haffner ... William G. Nelson, Srinivasan J Clin Invest. 2013;123(11):4918-4922. doi:10.1172/JCI70354. Rakovina se trvale adaptuje Rakovina heterogenní onemocnění Současný stav http://mayoresearch.mayo.edu/center-for-individualized-medicine/ * * Vnik nádoru je vícestupňový, komplexní proces * Iniciace ® promoce ® maligní konverze ® progrese Základní principy a znaky karcinogeneze https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK13982/ * několikafázový děj, během kterého dochází ke změně normálního buněčného genotypu a fenotypu JEDNÉ BUŇKY na genotyp a fenotyp neoplastický. Ke karcinogenezi jsou náchylné pouze dělící se buňky. U nedělících se nebo bezjaderných buněk nemůže dojít k neoplastické transformaci. Nejčastěji dochází k narušení regulace přechodu buněčného cyklu z G1 fáze do S-fáze a k defektům apoptózy. Během patogeneze jsou důležité mutace onkogenů a antionkogenů (tumor supresorových genů). Patogenezi karcinogeneze formálně dělíme do 4 fází – iniciace, promoce/maligní konverze a progrese. Karcinogeneze Iniciace Promoce/maligní konverze Progrese Několikanásobná mutace jedné buňky Nekontrolované buněčné dělení Vývoj kancerózního fenotypu (maligní konverze) + pokračující nekontrolované buněčné dělení Karcinogeny Kašpar et al. IVA VFU 2018/FVL/1200/04 * zahrnuje poškození DNA – ať už mutací nebo poruchou reparace. Jedna mutace nestačí – musí dojít k mnoha mutacím, aby byla buňka změněna na nádorovou. Nezbytná je inaktivace tumor supresorových genů (fyziologicky fungují např. jako brzda buněčného cyklu) a aktivace protoonkogenů (fyziologické geny podílející se na chodu buněčného cyklu a dělení buněk) na onkogeny (patologicky zvyšující rychlost buněčného cyklu a schopnost buňky se dělit). Iniciace Karcinogeny Chemické primární, sekundární Záření RTG, g, a, b, UV Genetické vlivy, vrozené vady Viry FeLV, FIV, papilomaviry Chronické záněty Spontánní mutace Aktivace protoonkogenu na onkogen Několika násobná mutace jedné buňky Inaktivace tumorsupresorového genu Defekty buněčné smrti (·Bcl-2) Narušení regulace buněčného cyklu Únik ze senescence (·telomeráza) Schopnost předávat poškozený genotyp Kašpar et al. IVA VFU 2018/FVL/1200/04 * iniciovaná buňka (s mutovaným genomem) je podporována v proliferaci růstovými faktory, hormony, cizorodými látkami... Promotory podporují proliferaci mutovaných buněk a tím vznik tumoru, ale nemusejí samy vyvolávat mutace. Promoce Promotor (růstový stimulátor, hormony) Nekontrolované buněčné dělení Kumulace nových mutací, ztráta schopností reparace Proliferace mutovaných buněk (·počtu) Kašpar et al. IVA VFU 2018/FVL/1200/04 * během promoce se buňka intenzivně dělí a může procházet buněčným cyklem „bez kontroly“, je vyšší šance, že dojde ke spontánní/indukované mutaci, která nebude opravena, a že tedy dojde k nádorovému zvratu, během kterého buňka získá nové vlastnosti. Vyvíjí se tak nádorový fenotyp. Maligní konverze - > progrese Maligní konverze a nekontrolovaná proliferace Benigní Lokální atrofie Počáteční genetická výbava Paraneoplastické syndromy, hormonálná působení, zvýšená tvorba Ab, hyperkalémie vlivem smrti nádorových buněk Maligní Lokální atrofie a destrukce tkáně Paraneoplastické syndromy, hormonálná působení, zvýšená tvorba Ab, hyperkalémie vlivem smrti nádorových buněk Invazivita Vznik metastáz Systémové Selektivní Histohomologní Porogenní Lymfogenní Hematogenní Implantační Kašpar et al. IVA VFU 2018/FVL/1200/04 Důsledky rozvoje nádorového onemocnění Přední strana obálky * Iniciace * Genotoxický děj (mutace) * Změna v genetickém materiálu (nukleotidy, chromozómy) * Ireverzibilní změna * Vznik preneoplastické buňky * Možný "spontánní vznik iniciované buňky" * Je nutné buněčné dělení pro "fixaci" mutace * Promoce * Negenotoxické (epigenetické) děje * Změny v genové expresi * Reverzibilní změny * Selektivní klonální expanze preneoplastické buněčné populace * Závislá na konstatní expozici látkou s promočními účinky * Maligní konverze * Změna preneoplastické buňky na buňku s maligním fenotypem * Změny v genové expresi, aktivace onkogenů, inaktivace nádorových supresorů * Progrese * Genotoxické i negenotoxické děje * Změny karyotypu a genetická nestabilita * Ireverzibilní změna * Tvorba neoplastických útvarů (adenomy a karcinomy) * Změny podporující přechod preneoplastických buněk v neoplastické * Autonomie nádorové populace * Vznik metastáz (invazivita, dormance) Základní principy a znaky karcinogeneze * Rakovina není onemocnění jedné buňky Základní principy a znaky karcinogeneze Copyright © 2011 Elsevier Inc. Terms and Conditions Cell 2011 144, 646-674DOI: (10.1016/j.cell.2011.02.013) * Rakovina není onemocnění jedné buňky Základní principy a znaky karcinogeneze Copyright © 2011 Elsevier Inc. Terms and Conditions Cell 2011 144, 646-674DOI: (10.1016/j.cell.2011.02.013) * podpůrné proliferační signály * deregulace supresorů růstu/proliferace * odolnost k buněčné smrti * neomezená replikace * neoangiogeneze * invaze a metastázování * mutace a genomická nestabilita * zánět * přestavba energetického metabolismu * únik před zničením imunitním systémem • Typické znaky nádorové buňky Výsledek obrázku pro hallmarks of cancer Douglas Hanahan & Robert A. Weinberg: Hallmarks of Cancer: Next Generation, Cell, 2011 * Normální tkáně velice přesně kontrolují produkci růstových faktorů (RF) indukujících buněčné dělení * Klíčové pro udržení homeostázy, normální architektury a funkce tkáně * Deregulace této kontroly propůjčuje nádorové buňce kontrolu nad svým osudem * Autokrinní produkce RF * Stimulace parakrinní produkce RF * Zvýšená citlivost k RF prostřednictvím zvýšené exprese receptorů * Konstitutivní aktivace receptorů pro RF bez závislosti na ligandech * Mutace * Ztráta negativní zpětné vazby * * Otevřené otázky: * Jaké jsou mechanismy kontroly uvolňující RF v normální tkáni * Role parakrinní signalizace, úloha imobilizace RF v extracelulární matrix * Podpůrné proliferační signály Výsledek obrázku pro go signal * Stejně jako u pozitivních faktorů růstu i správná funkce negativních regulátorů růstu/proliferace je důležitá pro udržení tkáňové homeostázy * Existují desítky negativních regulátorů proliferace, řada s nich patří mezi nádorové supresory. * RB protein – integruje signály z vnějšího i vnitřního prostředí buňky, klíčová molekula kontrolu buněčného cyklu * TP53 – integruje signály z vnitřního prostředí buňky, indukuje zástavu buněčného dělení nebo buněčnou smrt * Kontaktní inhibice – inhibiční dráha spočívající v mezibuněčné interakci proliferující tkáně (zapojení neurofibrominu (NF2), N-kadherinu, SERINE/THREONINE PROTEIN KINASE 11 (LKB1)) * Deregulace signalizace cytokinu TGF-b * časté přepnutí funkce z inhibice proliferace na aktivaci plasticity a invazivity * * * v Deregulace supresorů růstu Výsledek obrázku pro stop signal * Programovaná buněčná smrt – apoptóza je jednou z přirozených bariér proti vzniku a rozvoji rakoviny * Mezi její induktory patří řada vnitřních a vnějších faktorů * stresové faktory * vysoká aktivita onkogenů * poškození DNA spojené s hyperproliferací * fyziologické vnější spouštěče – „ligandy smrti“ * Nádory dosáhnou různým způsobem odolnosti vůči buněčné smrti * ztráta funkce TP53 * zvýšená exprese anti-apoptických regulátorů (rodina Bcl-2) * snížená exprese pro-apoptických regulátorů * Autofagie – důležitý fyziologický proces aktivovaný při odpovědi na nutriční deficienci * dvojí role v karcinogenezi (podobně jako TGF-b1) * Supresor v časných fázích karcinogeneze * Později promotor - ochrana nádoru před nutriční deficiencí a před působením terapie * Nekróza – neřízená buněčná smrt – prozánětlivý proces, indukuje rozvoj nádorového onemocnění * podpora angiogeneze, proliferace, invazivity * Odolnost k buněčné smrti Výsledek obrázku pro death signal * Většina normálních buněk je schopna projít pouze omezeným počtem buněčných dělení. * Hayflickův limit - maximální počet buněčných dělení (mitóz), které může prodělat somatická buňka (~50). * Jeho překročení funguje jako přirozená bariéra proti zhoubnému bujení * Senescence – stav kdy se buňka dále nedělí, ale zůstává funkční, metabolicky aktivní * Krize – buněčná smrt * Překročení limitu – imortalizace (nesmrtelnost) * Telomery – repetice nukleotidů chránící konce chromozómu jsou zkracovány při každém buněčném dělení * Telomeráza – DNA polymeráza připojující segment repetice k telomerám * Téměř nedetekovatelná u normálních somatických buněk * Exprimována u 90% spontánně imortalizovaných buněk včetně nádorů * • Neomezená replikace Výsledek obrázku pro proliferation * nádor, stejně jako zdravá tkáň, vyžaduje přísun živin a kyslíku a odvod metabolitů a CO2 * Nové endoteliální buňky vznikají v průběhu embryogeneze – dochází k vaskulogenezi – formování cév * v dospělosti je tento proces utlumen, aktivován jen přechodně - hojení ran, ovulační cyklus * Během nádorové progrese je trvale aktivní * VEGF-A (induktor) vs. TSP-1 (inhibitor) * Exprese VEGF-A je indukována hypoxií a řadou onkogenů * Pericyty a buňky derivované z kostní dřeně přispívají k nádorové neoangiogenezi * Chronická aktivace neoangiogeneze v nádoru vede k tvorbě nenormálních cév * Neorganizovaně, složitě větvených * Zdeformované, zvětšené * Nestálý průtok krve * Krvácivost, netěsnost * Abnormální proliferace a apoptóza endoteliálních buněk * Neoangiogeneze Výsledek obrázku pro angiogenesis * Více stupňový proces – kaskáda postupných změn, adaptace a projevu nových vlastností nádorových buněk * Lokální invaze * Intravazace * Přechod a lymfatickém či krevním řečišti * Extravazace * Formování mikrometastáz * Kolonizace - Formování makrometastáz * * Invaze a metastázování Výsledek obrázku pro metastasis massague Výsledek obrázku pro metastasis ct * Jedna ze základních vlastností podmiňující vznik rakoviny * Vícestupňový proces karcinogeneze je charakteristický klonální expanzí spojenou s určitým mutantním genotypem * Příklad: centrální role TP53 – strážce genomu Mutace a genomická nestabilita Výsledek obrázku pro TP53 mutation rate Výsledek obrázku pro TP53 mutation rate Výsledek obrázku pro mutation https://www.researchgate.net/profile/Jennifer_Wilding/publication/261800837/figure/fig4/AS:29684367 1031811@1447784454788/Mutation-frequencies-for-WNT-MAPK-PI3K-TGF-b-and-p53-pathway-members-as-well- as.png * Infiltrace buněk imunitního systému do nádorových tkání a přítomnost zánětu je známa > 150 let (Tumors: Wounds that do not heal) * Předpoklad, že přispívá k odstranění zánětu byl postupně vyvrácen * Podporuje řadu procesů během karcinogeneze * Produkce růstových faktorů * Podpora neoangiogeneze * Remodelace extracelulární matrix * Stimulace invaze a metastázování * Zánět hraje roli v časných stádiích iniciace a progrese a zřejmě i při aktivaci diseminovaných, dormantních buněk * Zánět Výsledek obrázku pro inflammation * Nekontrolovaná proliferace vyžaduje kromě změn v regulaci buněčného cyklu i změny v energetickém metabolismu buňky * Otto Warburg (1930): nádorové buňky i v přítomnosti kyslíku přeprogramují svůj metabolismus ve prospěch glykolýzy = „aerobní glykolýza“ * Tato přestavba je spojena s aktivací řady onkogenů (např. RAS, MYC) * 18x nižší účinnost tvorby ATP oproti oxidativní fosforylaci * Kompenzace např. vyšší aktivitou transportérů glukózy * Výhoda – meziprodukty glykolýzy mohou být zapojeny do dalších metabolických drah – např. v tvorbě nukleosidů a aminokyselin (podobnost s některými tkáněmi během embryonálního vývoje) * Přestavba energetického metabolismu Výsledek obrázku pro energy * poznání role imunitního systému v karcinogenezi je stále neúplné * Imunitní systém představuje významnou bariéru bránící vzniku a rozvoji nádorových onemocnění u některých nádorů, které nemají virový původ * Lepší prognóza u některých typů nádorů v případě jejich infiltrace cytotoxickými T lymfocyty a NK buňkami Únik před zničením imunitním systémem Výsledek obrázku pro immune system cancer Výsledek obrázku pro immune system cancer * Typické znaky nádorové tkáně jako cíle protinádorové léčby Copyright © 2011 Elsevier Inc. Terms and Conditions Cell 2011 144, 646-674DOI: (10.1016/j.cell.2011.02.013) * Rakovina je komplexní, heterogenní onemocnění, které zahrnuje nejen nádorové buňky, ale i další složky tkáňového mikroprostředí * Nádorová buňka ztrácí schopnost být pod kontrolou okolní tkáně, neustále se přizpůsobuje selekčnímu tlaku (klonální evoluce) * Proces karcinogeneze je vícekrokový a zahrnuje získání specifických vlastností Souhrn