Mechanismykarcinogeneze Karel Souček E-mail: ksoucek@ibp.cz, tel.: 541 517 166 Mechanismy karcinogeneze – úvod Mechanismykarcinogeneze Literatura Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Serine beta-lactamase-like protein, mitochondrial Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Historie Mechanismykarcinogeneze Současnost? 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 A 300 pound tumor from an unnamed 34year-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/ Mechanismykarcinogeneze úspěšná léčba ovariálního karcinomu Současnost 45:57min https://www.ceskatelevize.cz/porady/1097181328-udalosti/222411000100214/ Mechanismykarcinogeneze Trend & predikce: data (USA) https://seer.cancer.gov/statfacts/html/all.html Mechanismykarcinogeneze Historie – Současnost: data (ČR) Mechanismykarcinogeneze Nádor slinivky – klinický příklad islet cell tumor, gasteroenteropancreatic neuroendocrine tumor (GEP-NET) Mechanismykarcinogeneze Příčiny vzniku nádorových onemocnění Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Současný stav https://www.uzis.cz/index.php?pg=vystupy--knihovna&id=259 Mechanismykarcinogeneze Je anatomie ta nejlepší cesta k určení účinné terapie? Mechanismykarcinogeneze Mechanismykarcinogeneze Současný stav 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. Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Rakovina heterogenní onemocnění Mechanismykarcinogeneze Současný stav http://mayoresearch.mayo.edu/center-for-individualized-medicine/ Mechanismykarcinogeneze https://www.foundationmedicine.cz/precizni -medicina/co-je-precizni-medicina.html Mechanismykarcinogeneze https://www.mou.cz/centrum-pro-precizni-onkologii/t1325 Mechanismykarcinogeneze Vnik nádoru je vícestupňový, komplexní proces Iniciace → promoce → maligní konverze → progrese Základní principy a znaky karcinogeneze https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK13982/ Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Důsledky rozvoje nádorového onemocnění Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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) Mechanismykarcinogeneze 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) Mechanismykarcinogeneze Mechanismykarcinogeneze 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 Senescence* Plasticita* Epigenetika* Mikrobiom* Typické znaky nádorové buňky Douglas Hanahan & Robert A. Weinberg: Hallmarks of Cancer: Next Generation, Cell, 2011 *Hanahan, 2022 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Deregulace supresorů růstu Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze 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 Mechanismykarcinogeneze Nádorová plasticita Mechanismykarcinogeneze Mikrobiom https://www.nature.com/articles/s41591-019-0377-7 • Mikrobiom ovlivňuje vývoj rakoviny a imunitní systém • Některé bakterie ji potlačují, jiné podporují. • Změny v mikrobiomu mohou zlepšit léčbu a snížit toxicitu. Mechanismykarcinogeneze 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) Mechanismykarcinogeneze 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