Mechanismykarcinogeneze Karel Souček E-mail: ksoucek@ibp.cz, tel.: 541 517 166 INVAZIVITA A METASTÁZOVÁNÍ - dokončení Mechanismykarcinogeneze Mechanismykarcinogeneze Cell 2017 168670-691DOI: (10.1016/j.cell.2016.11.037) The progression and evolution of metastatic disease is highly variable, manifesting in ways that must affect the kinetics of metastatic colonization. Five hypothetical alternatives are presented here. (A) The dissemination of CTC clusters to distant sites may generate overt metastases with a relatively short latency, since such clusters are highly efficient at spawning metastatic growths. Their efficiency in forming metastases may derive from advantages during transit in the circulation or because they benefit from homotypic cell-cell interactions in a foreign tissue environment. (B) Solitary disseminated carcinoma cells that are adept at recruiting and establishing a supportive metastatic niche, or that are able to generate a microenvironmental niche themselves, may be better able to survive and initiate programs of proliferation. (C) While the dissemination of tumor-initiating cancer stem cells may be a prerequisite for metastasis, the generation and evolution of progeny that are well adapted to the local microenvironment could take many months or years. (D) At later stages of metastatic progression, other dynamics come into play, such as the exchange of metastatic cell clones between different metastatic lesions in the same patient. The biological and clinical impact of such transfer, however, remains to be firmly established. (E) Tumor cells may disseminate during the early stages of tumorigenesis and even from pre-malignant lesions, but it remains unclear how such cells are able to evolve, in parallel with the primary tumor, the full complement of genetic mutations and malignant traits required for successful metastatic colonization. Mechanismykarcinogeneze EMT & nádory Mechanismykarcinogeneze Diseminace solidních nádorů Mechanismykarcinogeneze Metastatický tropismus Thirty-three cells from a large population of human MDA-MB-231 cells were each expanded into a clonal population in culture. The mRNA expression pattern of each subclone was analyzed (columns, arrayed left to right) using probes for the mRNAs of five genes—IL11 (interleukin-11), OPN (osteopontin), CTGF (connective tissue growth factor), CXCR4 (chemokine receptor 4), and MMP1 (matrix metalloproteinase-1)—and, as loading control, a probe for GAPDH (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase) mRNA. In addition, the expression patterns of the original tumor cell population (ATCC, left column) and a subcloned cancer cell population termed 2287 (which was selected for its ability to generate osteolytic metastases; 2nd column) were analyzed. The five experimental genes were chosen because of their overexpression in osteotropic metastatic cells and their known biological properties in promoting osteolytic metastases. Clone 2 cells (red box), when injected into the arterial circulation of mice, showed a tendency to produce osteotropic metastases, as indicated by in vivo imaging; these cells expressed high levels of all five experimental mRNAs. Clone 3 cells (yellow box), in contrast, expressed low levels of all five mRNAs and preferentially formed lung metastases. And clone 26 genes (yellow box), which expressed essentially none of these mRNAs, formed no metastases at all. Moreover, when otherwise poorly metastatic cells were forced to express combinations of three of these genes, they acquired the ability to form bone metastases efficiently (not shown), pointing to the causal role of these genes in forming these metastases. Metastases were visualized through the presence of a luciferase gene in the tumor cells, which causes cells to release a bioluminescent signal. (From Y. Kang et al., Cancer Cell 3:537–549, 2003.) Mechanismykarcinogeneze Orgánově specifické bariéry Mechanismykarcinogeneze Angiopoietin-like 4 ~ ANGPTL4 Epiregulin (EPR) ~ EREG, EGF family member Mechanismykarcinogeneze Mechanismykarcinogeneze Metastatická kolonizace plic Mechanismykarcinogeneze Metastatická kolonizace mozku Mechanismykarcinogeneze Metastatická kolonizace jater Mechanismykarcinogeneze Osteotropní metastáze Mechanismykarcinogeneze Osteotropní metastáze Parathyroid hormonerelated peptide (PTHrP) Behěm laktace produkován normálními MECs mammary epithelial cells – > mobilizace vápníku Nádorové buňky - adaptují tento mechanismus – osteolýza kostí vede k uvolnění řady růsových faktorů stimulujících nádorové buňky Mechanismykarcinogeneze Metastáze před a po terapii Mechanismykarcinogeneze Terapie cílena na metastázování Mechanismykarcinogeneze Mechanismykarcinogeneze Selektivní tlak řídí proces selekce a driftingu během vývoje rakoviny Mechanismykarcinogeneze Paralely v klonální selekci/driftu mezi vývojem rakoviny a normální tkáně a jejich přechodem. Mechanismykarcinogeneze Shrnutí 90% úmrtí na nádorová onemocnění souvisí s metastázováním Invazivní kaskáda zahrnuje: lokální invazi, intravazaci, transport, extravazaci, formovaní mikrometastáz a kolonizaci Nízká efektivita celé kaskády, nejméně efektivní je kolonizace EMT, řízena pleiotropními TF v různých fázích embryogeneze, adaptována během tumorigeneze Motilita je řízena malými GTPasami, Rho rodina Proteázy (MMP) umožňují invazi nádorových buněk, degradace ECM Tkáňový tropismus nádorových buněk lze v některých případech vysvětlit organizací oběhového systému a specifikými molekulárními mechanismy Mechanismykarcinogeneze Stále nezodpovězené otázky … Kde vznikají znaky orgánově specifické kolonizace – primární nádor vs. distantní orgán? Jaký je původ těchto metastatických znaků – genetický, epigenetický? Využívají metastatické buňky různé niky pro iniciální přežití, stav dormance a agresivní růst? Co umožňuje metastatickým buňkám vstup do dormance a zároveň reaktivaci jejich proliferace? Jaké signály jsou zodpovědné za exit z dormance a aktivaci proliferace? Jak získají nádorové buňky vlastnosti orgánově specifické kolonizace během dormance? Jsou orgány kde dochází k akumulaci dormantních buněk zároveň orgány kde se rozvíjí metastazující onemocnění? Jsou mechanismy podporující přežívání buněk během extravazace společné s mechanismy podporující přežívání buněk během protinádorové léčby? Jaké jsou základy známé rezistence metastatických buněk v mikroprostředí vzdálených orgánů? Je možné prokázat efektivní strategii prevence vzniku metastáz tak, že specificky zacílíme mechanismy podporující přežití dormantních buněk? Mechanismykarcinogeneze Science Spotlight lecture: Joan Massagué, PhD https://www.youtube.com/watch?v=SWzcAND9f5A Mechanismykarcinogeneze Karel Souček E-mail: ksoucek@ibp.cz, tel.: 541 517 166 ZÁNĚT, NÁDOROVÉ MIKROPROSTŘEDÍ A NEOANGIOGENEZE 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 Douglas Hanahan: Hallmarks of Cancer: New Dimension, Cancer Discovery, 2022 Mechanismykarcinogeneze Stromální komponenta karcinomu duktální karcinom prsu karcinom střeva adenokarcinom žaludkulobulární karcinom prsu Mechanismykarcinogeneze Příklad: Hodgkinův lymfom – 99% buněk normální lymfocyty obklopující Reed-Sternebergovu buňku Hemangiom – neoplastické endoteliální buňky tvoří většinu masy nádoru Variabilita poměru neoplastických buněk a stromatu 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 Výměna mitogenních signálů mezi různými typy buněk v normální tkáni Řada těchto interakcí přetrvává i v neoplastických tkáních Důkaz – autologní transplantace nádorů kůže (1961) Uplná nezávislost - ascit Heterotypická signalizace varle střevo Ústní dutina Prsní žláza Mechanismykarcinogeneze Hojení rány Zajištění homeostázy (sekundy – minuty) Koagulace Provizorní ECM Zánět (hodiny – dny) Infiltrace leukocytů Trofické faktory stimulují migraci a proliferaci dalších buněk Proliferace (dny – týdny) Vstup fibroblastů a endoteliáních buněk do rány Reorganizace ECM Remodelace a maturace (týdny – měsíce –roky) Reorganizace kolegenové ECM Zakrytí rány epitelem Migrace keratinocytů, ustanovení nové bazální membrány Mechanismykarcinogeneze Hojení rány Mechanismykarcinogeneze Hojení rány Mechanismykarcinogeneze Nádor – nehojící se rána Mechanismykarcinogeneze Nádor – nehojící se rána Mechanismykarcinogeneze Remodelace epiteliální tkáně během hojení, EMT, MET Mechanismykarcinogeneze Exprese vimentinu (mes.) během hojení u normálních epiteliálních buněk Příklad plasticity buněk – spontánní indukce -SMA (mes.) z ztráta exprese cytokeratinu (ep.) Induce EMT působením MMP-3 Remodelace epiteliální tkáně během hojení, EMT, MET 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 Makrofágy mohou produkovat VEGF, asociují s neovaskulogenezí, produkují MMP-9, produkují mitogenní faktory a reorganizují stroma Makrofágy hrají důležitou úlohu v angiogenezi Mechanismykarcinogeneze Hypoxie, neoangiogeneze Mechanismykarcinogeneze Angiogeneze a klinická prognóza Mechanismykarcinogeneze Angiogeneze jako cíl protinádorové léčby Mechanismykarcinogeneze Angiogeneze jako cíl protinádorové léčby Mechanismykarcinogeneze Inhibice angiogeneze - paradox Mechanismykarcinogeneze Heterotypické interakce jako cíl protinádorové léčby Mechanismykarcinogeneze Cytokiny a nádorová progrese Mechanismykarcinogeneze Zánět a nádorová progrese Mechanismykarcinogeneze Zánět a nádorová progrese Mechanismykarcinogeneze Infiltrace CD45+ buněk do solidních nádorů Mechanismykarcinogeneze Imunitní systém, zánět a tumorigeneze Mechanismykarcinogeneze Rakovina slinivky Mechanismykarcinogeneze Slinivka břišní, pankreas Mechanismykarcinogeneze Slinivka břišní, pankreas smíšená exo/endokrinní žláza, produkující trávicí enzymy a hormony (váha ~ 80g, velikost ~ 15 cm) stroma: na povrchu pouzdro (husté vazivo) – z něj vybíhají septa → laloky → lalůčky (cévní + nervové zásobení + větvení vývodů); podkladovou tkání je řídké vazivo parenchym: pankreatické aciny + trámčité uspořádání buněk (Langerhansovy ostrůvky) Mechanismykarcinogeneze Pankreas Mechanismykarcinogeneze Regenerace pankreatu Nízká intenzita proliferace Nízká klonogenní kapacita Délka života u myších buněk ~ 1 rok (podobně jako u jater) Regenerační kapacita odlišná od jaterní Buňky zvýší svoji proliferační kapacitu, ale k úplné obnově poškozené tkáně nedojde Lgr5+ buňky nejsou přítomny, jsou indukovány při poškození v buňkách duktu nebo v podmínkách in vitro – vliv mikroprostředí? Buňky pankreatu jsou plastické Během zánětu lze nalézt buňky s duktální i acinární charakteristikou Transdiferenciace Risk pro vznik onemocnění (acinar-to-ductal metaplasia) Mechanismykarcinogeneze Regenerace pankreatu Mechanismykarcinogeneze Rakovina slinivky Mechanismykarcinogeneze Rakovina slinivky Mechanismykarcinogeneze Mutace u nádorů slinivky Mechanismykarcinogeneze radikální resekce - stádium I a II Adjuvantní terapie Chemorezistentní onemocnění radioterapie Nádor slinivky - léčba Mechanismykarcinogeneze Adjuvantní terapie Mechanismykarcinogeneze Léčba metastazujícího adenokarcinomu slinivky Mechanismykarcinogeneze Biologické vlastnosti nádoru slinivky Mechanismykarcinogeneze Mechanismykarcinogeneze Nádor je komplexní tkáň závislá na komunikaci mezi různými buněčnými typy Karcinomy zahrnují neoplastické buňky a buňky stromatu – fibroblasty, myofibroblasty, zánětlivé buňky, endoteliální buňky, pericity Většina nádorů je na stromatu závislá s výjimkou ascitických nádorů Formování nových cév je kritickým faktorem determinující růst solidních nádorů Antiangiogenní léčba může vést k paradoxním výsledkům Rakovina jako nikdy se nehojící rána Zánět – jeden z rizikových faktorů pro vznik nádorů slinivky EMT předchází metastázování nádorových buněk slinivky Shrnutí