Molekulární podstata vzniku nádorů Přednáška kurzu Molekulární biologie eukaryot Jan Šmarda Ústav experimentální biologie Přírodovědecká fakulta MU 2 Rakovina - definice • název rakovina („cancer“) odvozen od latinského slova označujícího kraba, protože tohoto živočicha starým Řekům připomínaly výběžky šedé hmoty nádoru (řecky: karkinos = krab) • choroba způsobená maligním nádorem • nádor („tumor“) - neoplazma, novotvar patologický útvar vytvořený v tkáni mnohobuněčného organismu, jehož růst se vymkl kontrole 3 Základní charakteristika • na buněčné úrovni genetická nemoc (důsledek mutací, které se přenášejí do dceřiných buněk) • fenotyp nádorových buněk je dědičný (přenáší se do dalších buněčných generací) • projevuje se změnou růstových a diferenciačních vlastností buněk a změnou jejich životaschopnosti • začíná na úrovni jediné buňky 4 Proč jsou rakovinné buňky nebezpečné? • reprodukují se bez ohledu na potřeby organismu (nereagují na běžné buněčné signály) • kolonizují tělní oblasti, které jsou vyhrazeny jiným buňkám • narušují funkci postižených orgánů • vyčerpávají organismus • imunitní systém je obtížně odlišuje od buněk zdravých • nádor je tvořen heterogenní a průběžně se dále vyvíjející populací buněk, které vykazují různou (a proměnlivou) citlivost k léčivům 5 Je rakovina dědičná nemoc? • predispozice k tvorbě nádorů lze zdědit: dědičné jsou mutantní alely nádorových supresorů • zděděné onkogeny se v potomstvu objevují velmi vzácně kvůli svým drastickým účinkům znemožňujícím řádný vývoj organismu (výjimka – onkogen ret způsobující syndrom MEN – „multiple endocrine neoplasia“ nebo nádory štítné žlázy) • predispozice k tvorbě nádorů mohou vyplývat ze zděděných defektů opravných mechanismů - zvýšená frekvence mutací/genomová nestabilita • běžné jsou nádory odvozené ze somatických buněk, ve kterých došlo k nežádoucí kombinaci nádorotvorných mutací 6 Vývoj rakoviny - postupné hromadění genetických změn většina nádorů se objevuje v pokročilejším věku 7 Nádory benigní (nezhoubné) • pomalý růst, stabilní lokalizace, ohraničenost • podobnost s původní tkání (dobrá organizace buněk, vysoký stupeň diferenciace) • většinou neohrožují život 8 Nádory maligní (zhoubné) • vysoká proliferace (velká jádra, jadérka - tvorba ribozomů, polyzomy tvorba proteinů potřebných pro buněčné dělení) • změny v morfologii, velikosti a tvaru buněk, nižší stupeň diferenciace • metastázují, metastázy ohrožují funkci postižených orgánů, špatně se odstraňují 9 Benigní Maligní 10 I benigní nádory mohou být smrtelné! • nadprodukce důležitých biologicky aktivních molekul (např. hormonů) příklad: nádor žláznatých buněk - Langerhansovy ostrůvky - přílišná sekrece inzulinu - fatální hypoglykemie • poloha nádoru narušuje nějakou životní funkci příklad: mozkové výstelka - narušení funkce vitálních mozkových center 11 Klasifikace a nomenklatura nádorů • název odráží původní tkáň, kde nádor vznikl • přípona určuje, zda se jedná o nádor benigní nebo maligní -om (benigní) -karcinom (maligní epiteliální tkáň) -sarkom (maligní konektivní tkáň nebo sval) -blastom (nádor nevyzrálých buněk) 12 Typizace nádorů - příklady 13 Většina lidských nádorů je odvozena z epitelů • epitely jsou povlaky buněk, které vystýlají tělní dutiny a pokrývají tělní povrch • nádory epiteliálních buněk (karcinomy) tvoří největší skupinu lidských nádorů (více než 80 % úmrtí na rakovinná onemocnění v západním světě) • zahrnují nádory ústní dutiny, jícnu, žaludku, malého a velkého střeva, konečníku, kůže, prsu, slinivky, plic, jater, vaječníku, děložního čípku, žlučníku a močového měchýře 14 Nádor vzniká postupnou přeměnou zdravých buněk • mezi normálním a maligním fenotypem je široké spektrum přechodných stádií • vývoj nádoru je vícestupňový proces 15 Nádor vzniká postupnou přeměnou zdravých buněk Fáze karcinogeneze: • iniciace (indukce mutace v kritickém genu): růstová selekční výhoda; krátkodobá fáze • promoce (rozvoj nádoru) – klonální růst preneoplastických buněk v důsledku epigenetických a negenotoxických změn; deregulace genové exprese na transkripční, translační nebo posttranslační úrovni; dlouhodobá fáze 16 Nádor vzniká postupnou přeměnou zdravých buněk Fáze karcinogeneze: • konverze (transformace) – vznik maligního klonu v důsledku mutací • progrese – hromadění dalších mutací, přestavby chromozomů, apod., nevratný přechod do maligního stádia 17 Postupnost kancerogeneze spočívá v hromadění mutací Podmínkou přeměny zdravé buňky na nádorovou je kombinace následujících mutací v jedné buňce: • mutace umožňující přežití a růst bez ohledu na vnější a vnitřní signály • mutace umožňující únik z rodné tkáně • mutace umožňující přežití a proliferaci v cizích tkáních • mutace stimulující genetickou nestabilitu ("but not too much"!) 18 Které typy genů jsou při kancerogenezi postiženy mutací? protoonkogeny • geny, které pozitivně ovlivňují buněčný cyklus (urychlují jej), tlumí apoptózu nebo diferenciaci buněk • kancerogenní jsou mutace způsobující hyperaktivitu jejich produktů („gain-of-function“) • dominantní charakter mutací 19 Které typy genů jsou při kancerogenezi postiženy mutací? nádorové supresory • geny, které negativně ovlivňují buněčný cyklus (zpomalují jej), indukují buněčnou smrt nebo diferenciaci buněk • v případě poškození umožňují opravu DNA 0 např. p53 – ochránce genomu • kancerogenní jsou mutace eliminující jejich funkci („loss-of-function“) • recesivní charakter mutací 20 Důsledek mutací: ztráta kontroly růstu zdravá buňka kontroluje růst/proliferaci dvěma způsoby : • inaktivací prorůstové signální dráhy • aktivací protirůstové, apoptotické nebo diferenciační dráhy u nádorových buněk jsou tyto dráhy nefunkční 21 Poruchy signalizace 22 Onkogeny • deriváty protoonkogenů • protoonkogeny plní fyziologické funkce, obvykle spojené se signalizací, růstem a proliferací • mutací nebo zvýšenou expresí se protoonkogeny mohou změnit na transformující onkogeny • onkogeny kódují onkoproteiny • onkoproteiny se zapojují do mitogenních signálních drah a signalizací spojených s diferenciací nebo apoptózou • na úrovni buňky se chovají dominantně, porucha v jedné alele již vyvolává účinek (účinek jednoho onkogenu ale k vyvolání nádoru většinou nestačí) 23 Rozmanité funkce onkoproteinů • růstové faktory (sis=PDGF) • receptory pro růstové faktory (ErbB=EGF-R) • nitrobuněčné přenašeče (Ras, Src) • transkripční faktory (Myc) • regulátory apoptózy (Bcl-2) • proteiny řídící b. cyklus (PRAD1=cyklin D) 24 Historie onkogenů • termín se poprvé použil v roce 1969 v USA • první prokázaný onkogen: src (1970) ve struktuře ptačího retroviru (RSV) Peter Vogt Peter Duesberg Steven Martin 25 Historie onkogenů 1976: Dominique Stehelin, J. Michael Bishop a Harold E. Varmus (University of California, San Francisco) dokazují, že onkogeny představují aktivované protoonkogeny a jsou přítomny u mnoha organismů, vč. člověka • 1989: Bishop a Varmus získávají Nobelovu cenu v oboru Fyziologie a medicíny John Michael Bishop (* 22.2. 1936) Harold Eliot Varmus (* 18.12. 1939) Dominique Stehelin (* 4.9. 1943) 26 Onkoproteiny mohou být kódovány viry: gp55 SFFV • glykoprotein gp55 retroviru SFFV („spleen focus-forming virus“) indukuje erytroleukémii • gp55 je transmembránový protein schopný vyvolat dimerizaci a aktivaci receptoru EPO za nepřítomnosti jeho přirozeného ligandu • vznik nadměrného množství erytrocytů 27 Indukce sarkomů u kuřat • Peyton Rous obdržel Nobelovu cenu v roce 1966 • důkaz účasti virů u některých typů rakoviny 28 Onkoproteiny mohou být kódovány viry: v-myb AMV/E26 • v-myb viru ptačí myeloblastózy indukuje myeloblastózu u kuřat • v-myb a v-ets viru E26 indukují myeloblastózu a erytroblastózu u kuřat Joe Lipsick Stanford University roztěr kuřecí krve kontrola 1 týden po infekci AMV 29 Přeměna protoonkogenů na onkogeny 30 Změna receptorů pro růstové faktory • aktivující mutace nebo silná exprese genů kódujících receptory Příklady: • specifická bodová mutace mění normální receptor Her2 na onkoprotein Neu • záměna hydrofobní aminokyseliny (valin) za hydrofilní (glutamin) v transmembránové doméně • receptor se dimerizuje a vykazuje kinázovou aktivitu i za nepřítomnosti ligandu 31 Onkogeny často kódují trvale aktivní signalizační proteiny • kinázová aktivita c-Src je inhibována fosforylací Tyr 527 (6. AA od C-konce) kinázou Csk • Tyrosin 527 často chybí u onkoproteinů Src, které vykazují konstitutivní aktivitu (tj. nemusí být aktivovány fosfatázou) • např. v-Src RSV postrádá 18 C-koncových AA, včetně Tyr 527 32 Posilující mutace protoonkogenů První onkogeny byly nalezeny u transformujících retrovirů • virus Rousova sarkomu (RSV) obsahuje gen v-src, který se uplatňuje při vzniku rakoviny, ale nezajišťuje žádnou virovou funkci • normální buňky obsahují příbuzný gen (protoonkogen c-src), který kóduje regulovatelnou tyrosin kinázu • v-src je onkogen, kódující konstitutivně aktivní tyrosin kinázu 33 První onkogeny nalezeny u transformujících retrovirů Howard Temin • objevitel zpětné transkriptázy • jako první dokázal vyvolat „rakovinu“ na misce Ohnisko „focus“ nádorových buněk Howard Temin (1934-1994) 34 Akutně transformující retroviry transdukují onkogeny 35 Pomalu transformující retroviry • netransdukují onkogeny • integrují se do blízkosti buněčného protoonkogenu a podřídí jeho expresi svému promotoru: tím jej aktivují na onkogen 36 DNA-nádorové viry • také obsahují onkogeny, ale ty se uplatňují jako přirozené regulátory virové replikace (nemají buněčné protějšky) • SV40, Adeno, Papiloma • rostou v klidových buňkách • používají hostitelský aparát pro replikaci vlastní DNA • stimulují přechod hostitelské buňky do S fáze • “rané” virové proteiny v buňkách fungují jako onkogeny nebo inhibitory nádorových supresorů 37 Inaktivující mutace nádorových supresorů • většina nádorových supresorů funguje jako negativní regulátory buněčného cyklu G1 S G2 M Rb p16 ARF pRb p53 p21 ATM p21 ATM 38 Funkce nádorových supresorů • negativní regulátory buněčného cyklu (Rb, p16) • negativní regulátory buněčných prorůstových signalizací (WT-1 inhibuje EGR-1; NF-1 inhibuje RAS) • pozitivní regulátory mezibuněčné adheze (APC, DCC) • složky aparátu rozeznávajícího poškození a zajišťujícího opravy DNA (p53, MSH2, MLH1) 39 Způsoby inaktivace nádorových supresorů • mutace • metylace 40 Mutace nádorových supresorů jsou u nádorů velmi časté • postihují i sporadické (nedědičné) formy nádorů • příklady mutací nádorových supresorů u nádorů tlustého střeva: • mutace p53 nalezeny v 70% sporadických nádorů • mutace APC nalezeny v 70% sporadických nádorů • mutace MSH2 nalezeny v 15% sporadických nádorů 41 Přeměna střevní buňky na nádorovou • ztráta nádorového supresoru APC s následkem stabilizace β-kateninu - ovlivnění proliferace a mezibuněčné adheze: vzniká výrůstek - polyp • stimulující mutace ras: benigní adenom • oslabující mutace nádorových supresorů DCC a p53; DCC se účastní regulace mezibuněčných kontaktů; p53 je součástí kontrolního bodu monitorujícího stupeň poškození DNA v buněčném cyklu: “late” adenom a karcinom 42 Teorie dvou zásahů Alfreda Knudsona Dětský nádor oční sítnice – retinoblastom se vyskytuje ve 2 formách: • dědičné (familiální): zvýšený výskyt v rodinách, nádory zpravidla v obou očích, výskyt ve věku 2-6 měsíců • sporadické: bez rodinné historie, výskyt vždy jen v 1 oku, výskyt ve věku 2-4 let • Knudson se snažil odlišnosti mezi oběma variantami vysvětlit matematicky 43 Teorie dvou zásahů Alfreda Knudsona • zděděná mutace alely Rb predisponuje své nositele k retinoblastomu • sporadická forma: postupná inaktivace obou alel Rb 44 ztráta heterozygotnosti (LOH) druhá mutace Mechanismy ztráty heterozygotnosti 45 Transformace v důsledku translokace • translokace t(9;22) vedoucí ke vzniku onkogenu bcr-abl je spojena s chronickou myeloidní leukémií (CML) • markerem je přítomnost “Filadelfského” chromozomu Peter Nowell David Hungerford Janet Rawleyová 46 Příčinou CML je selhání regulace c-Abl • c-Abl je tyrozin kináza • v normálních buňkách je inhibována vazbou Rb • fosforylace Rb (kinázou Cdk2) přerušuje vazbu s c-Abl • c-Abl v jádře napomáhá transkripci genů zapojených do buněčného cyklu Proteinová chiméra Bcr-Abl má vysokou konstitutivní tyrozin kinázovou aktivitu 47 Úspěch protinádorové terapie: Glivec/Imatinib Glivec inhibuje chimérickou kinázu blokováním jejího místa pro vazbu ATP Brian Druker 48 Cesty k rakovině Douglas Hanahan, Robert Weinberg Cell 100:57, (2000) 49 Douglas Hanahan, Robert Weinberg Cell 144: 645, (2011) 50 Vlastnosti nádorových buněk • klonální původ – nádory jsou obvykle odvozeny od jediné deregulované neoplastické buňky • neregulovaný růst – nádorové buňky nereagují na normální regulační mechanismy brzdící růst, ale neomezeně proliferují • změněná tkáňově specifická afinita – nádorové buňky prorůstají za hranice původní tkáně – metastázy • schopnost vývoje a selekce – hromadění mutací, odolnost 51 • změněné biochemické vlastnosti, které zvyšují růstový potenciál: • zvýšená glykolytická aktivita umožňující růst i za snížených koncentrací kyslíku • sekrece hydrolytických enzymů umožňujících degradaci bazálních membrán a dalších struktur mimobuněčné matrix • tvorba angiogenních faktorů • pozměněný cytoskelet – chybná organizace cytoskeletu a změněná buněčná morfologie • chromozomové abnormality – změny v počtu chromozomů, časté delece, translokace a genové duplikace • neomezený růst v tkáňové kultuře – nádorové buňky jsou obvykle nesmrtelné a mohou být neomezeně kultivovány in vitro Vlastnosti nádorových buněk 52 Nezávislost na růstových faktorech • zdravé buňky nemohou proliferovat bez růstových signálů • mnohé onkogeny v buňkách stimulují signální dráhy, které jsou ve zdravých buňkách aktivní pouze za přítomnosti růstových faktorů • snížená závislost na růstových faktorech je zřejmá u nádorových buněk pěstovaných in vitro 53 Získání nezávislosti na růstových faktorech • změna charakteru růstových faktorů nebo způsobu jejich tvorby • změna receptorů nebo nitrobuněčných přenašečů signálu 54 Změna způsobu tvorby růstových faktorů • zdravé buňky obvykle produkují růstové faktory pro jiné buňky (heterotypická signalizace) • nádorové buňky získávají schopnost syntetizovat růstové faktory, na které jsou citlivé (autokrinní stimulace) • např. PDGF - produkován glioblastomy 55 Změna receptorů • změna struktury receptoru: konstitutivní aktivita za nepřítomnosti ligandu • amplifikace/zvýšená exprese genů kódujících povrchové receptory pro růstové faktory: zvýšení citlivosti buňky k běžným koncentracím růstových faktorů (např. exprese EGF receptoru je zvýšena u nádorů žaludku, mozku a prsu) 56 Změny signálních drah • hlavní úlohu má kaskáda Ras-Raf- MAPK • proteiny Ras jsou hyperaktivovány u 25% lidských nádorů • je pravděpodobné, že růstové signální dráhy jsou deregulovány u všech lidských nádorů 57 Necitlivost na protirůstové signály Zdravá tkáň • existence protirůstových signálů v podobě rozpustných faktorů a inhibitorů imobilizovaných v matrix a na povrchu buněk • na protirůstové signály buňka reaguje stejně jako na růstové faktory (prostřednictvím receptorů a nitrobuněčných signálních kaskád) • na molekulární úrovni protirůstové signály využívají proteinu Rb, který v nefosforylovaném stavu neumožní expresi genů nutných pro přechod z G1 do S • protirůstovým signálem je např. TGFβ, který brání fosforylaci Rb a expresi genu c-myc Metastázy • přechod nádorových buněk z primárního nádoru do nové tělní lokalizace, ve které je alespoň zpočátku dostatek prostoru a výživy • umožněno změnami dvou typů proteinů: • proteinů, které zajišťují upevnění buněk k okolním buňkám (CAM) a matrix (integriny) • mimobuněčných proteáz (zvýšená exprese genů kódujících proteázy, snížená exprese genů kódující inhibitory proteáz) 59 Šíření nádorů 60 Buňky ve tkáních fixují adhezivní molekuly a receptory 61 Metastázová kaskáda • rozrušení basální membrány • oddělení buněk • pohyb buněk • invaze • penetrace vaskulárního systému • cirkulace rakovinných buněk • opuštění krevního řečiště 62 Tvorba metastáz 63 Složky bazální membrány • bazální membrána je tenká vrstva mimobuněčné matrix • odděluje epiteliální buňky od prokrvených konektivních tkání • bazální membrána musí být rozrušena, aby nádorové buňky získaly přístup ke krevnímu toku • rozklad membrány zajišťují enzymy (proteázy) • Cathepsin B je proteolytický enzym rozkládající složky bazální membrány: jeho hladina stoupá v krvi pacientů s nádory gastrointestinálního traktu a především u metastázujících nádorů plic a jater (marker metastazování) 64 Oddělení buněk (cell detachment) • nádorové buňky mají sníženou vzájemnou přilnavost (kohezi) • důsledek redukce exprese genů pro adhezivní povrchové molekuly (kadheriny, kateniny) • normální buňky téhož typu se od sebe v tkáni neoddělují • transfekce invazivních buněk cDNA kódující kadherin E snižuje jejich invazivitu 65 Pohyblivost buněk („cell motility“) • nádorové buňky vykazují zvýšenou pohyblivost • existují enzymy, jejichž přítomnost koreluje s pohyblivostí a metastatickým potenciálem buněk (např. glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenáza) • cytokin AMF („autocrine motility factor“) stimuluje pohyb buněk: - produkován nádorovými liniemi - indukuje tvorbu pseudopodií 66 Invaze buněk • průnik konektivní tkání ke kapilárám • obdoba překonání bazální membrány • syntéza kolagenázy I a dalších rozkladných enzymů 67 Penetrace vaskulárního systému • nádorové buňky se šíří krevními nebo lymfatickými kapilárami • tlusté stěny kapilár se překonávají obtížně, zřejmě využívány drobné strukturní poruchy v nově tvořených kapilárách • narušení celistvosti stěn kapilár napomáhá kolagenáza IV • drobnými mezerami se buňky dostávají do kapiláry (diapedeza) 68 Podpora angiogeneze • angiogeneze = růst nových krevních vlásečnic • život všech buněk závisí na přísunu živin a kyslíku • tvorbu kapilár určuje rovnováha mezi induktory angiogeneze (např. FGF, VEGF) a inhibitory angiogeneze (trombospondin-1) • růst nádoru je omezen stupněm prokrvení • za nepřítomnosti živin a kyslíku nádor nemůže přerůst průměr 0,5-1 mm (nekróza buněk ve středu kolonie nádorových buněk) • nádorové buňky ve zvýšené míře tvoří induktory angiogeneze a méně inhibitorů angiogeneze 69 Vývoj nových cév za fyziologických podmínek Při růstu cév se uplatňují 2 mechanismy: – angiogeneze – růst nových cév ze starých – vaskulogeneze – tvorba cév „z ničeho“ - diferenciací endoteliálních prekurzorů u embrya • tvorba cév je řízena metabolickými potřebami 70 Zapnutí angiogeneze je podmínkou růstu nádoru nádorové buňky produkují angiogenní faktory 71 Ovlivňováním angiogeneze lze s nádorem manipulovat • angiogeneze je výsledkem dynamické rovnováhy mezi proa antiangiogenními faktory; pro boj s nádory je vhodné rovnováhu porušit směrem k antiangiogenním • cévy v nádorech jsou podobné běžným cévám, ale mají nižší stupeň organizace, jejich průměr je proměnlivý, heterogenní vzhled • u různých nádorů vypadají cévy různě, protože vznikly působením různých kombinací pro- a antiangiogenních faktorů 72 Vaskulatura nádoru je nedokonalá (ale stačí...) Normální vaskulatura (vpravo) je velmi uspořádaná ve srovnání s vaskulaturou nádoru (vlevo) 73 Nádorová vaskulatura Časté jsou ohyby, nepravidelnosti, rozdíly ve velikosti 74 Látky s anti-angiogenním účinkem: potenciální léčiva - protilátky proti pozitivním regulátorům - VEGF or FGF-2 nebo jejich receptorům (zatím nejúspěšnější) - inhibitory matrixových metaloproteináz Angiostatin: vnitřní doména plasminogenu, 38 kDa, přímo snižuje proliferaci endoteliálních buněk, zvyšuje apoptózu Endostatin: C-koncový peptidový fragment kolagenu 18 (20 kDa) neovlivňuje proliferaci, ale zvyšuje apoptózu a tím snižuje počet krevních cév vyživujících nádory 75 Neomezený replikační potenciál • somatické buňky procházejí omezeným počtem dělení, pak se dělit přestávají, stárnou a odumírají • maximální počet dělení, kterým může projít somatická buňka se označuje Hayflickův limit – u lidských buněk cca 50 (neplatí pro embryonální a kmenové buňky a buňky nádorové) • podstatou je zkrácení telomer pod kritickou délku 76 Neomezený replikační potenciál • genetickými změnami buňky mohou získat schopnost dělení po další generace až do nástupu „krize“ • buňky ve stadiu „krize“ vykazují časté změny karyotypu (fúzní chromozomy) a masivně odumírají • vzácně dojde ke vzniku nesmrtelné buňky (frekvence 1:107) • většinu nádorových buněk lze úspěšně pěstovat in vitro 77 Imortalizace a telomery Telomery • zajišťují počítání dělení buněk • konce chromozomů složené z několika tisíců opakování krátké nukleotidové sekvence • během každého buněčného cyklu dochází ke ztrátě 50-100 pb z konce každého chromozomu • postupná eroze telomer vede ke ztrátě schopnosti chránit konce chromozomové DNA před chromozomovými fúzemi, které ve zdravé buňce nejsou tolerovány a vedou k její smrti • udržování telomer je běžné u všech typů maligních buněk (následek vysoké exprese telomerázy) • zvýšení exprese telomerázy v buňkách in vitro prodlužuje počet pasáží, kterými buňka může projít 78 Imortalizace a telomery 79 Rakovinné buňky odmítají zemřít apoptózou • běžné signály indukující apoptózu selhávají • zdravé buňky mohou žít jen za přítomnosti růstových faktorů, jinak odumírají apoptózou • nádorové buňky přežívají i bez růstových faktorů • zdravé buňky s poškozenou DNA odumírají apoptózou x nádorové buňky nikoliv • rezistence k apoptóze je jedním z důvodů zvýšené životaschopnosti nádorových buněk 80 Nádorové kmenové buňky • zdravé buňky dozrávají do postmitotického diferenciačního stavu z buněk kmenových • kmenové buňky mají neomezenou schopnost růstu a dělení • nádorové buňky se často chovají jako buňky kmenové se zablokovanou schopností diferenciace a přechodu do postmitotického stavu 81 Nádorové kmenové buňky • populace nádorových buněk je heterogenní – zahrnuje nediferencované proliferující buňky i více diferencované postmitotické buňky • jen nádorové kmenové buňky dokážou vyvolat tvorbu nového nádoru po přenesení do zvířecího modelu • nádorové kmenové buňky přispívají k rekurenci nádoru po chemoterapii 82 Nádorové kmenové buňky a vliv prostředí • rychlost proliferace nádorových buněk spoluurčuje okolní prostředí Čtyři možnosti původu a expanze nádorových kmenových buněk: • změní se buňky určující niku (např. mutacemi) tak, že zvětší prostor vhodný pro reprodukci kmenových buněk, z nichž některé se mohou stát nádorovými kmenovými buňkami • změní se budoucí nádorové kmenové buňky (např. mutacemi), které jim umožní růst a proliferaci v nice, která jim normálně není vlastní • kmenové buňky si začnou produkovat vlastní růstové faktory, které jim poskytnou nezávislost na faktorech dané niky • progenitorové buňky, které mají schopnost vlastní reprodukce omezenou, získají mutacemi nesmrtelnost (získají „kmenovost“) 83 Projekt Cancer Genome Atlas • probíhá od roku 2005 • stanovení úplné sekvence genomů u různých variant rakoviny člověka • „high-throughput“ technologie analýzy genomu • Human Genome Project dokončen v roce 2003, slouží jako srovnávací základna pro Atlas • smyslem je vytvořit mapu rakovinotvorných mutací 84 Výsledky projektu Atlas Mutací je v nádorech mnoho: • 50 – 80 u rakoviny prsu a střeva • 50 – 60 u rakoviny slinivky • 40 – 50 u rakoviny mozku Heterogenita mutací u různých vzorků téhož nádoru – dělí se do 2 typů: • pasivní: vznikají náhodně, v populaci nádorových buněk se udržují, ale nemají vliv na biologii nádoru („passenger mutations“) • aktivní: přímo určují růst a chování nádoru („driver mutations“), obvykle zasahují onkogeny a nádorové supresory, opakují se u různých vzorků, lze je zařadit do signálních drah 85 Počet zasažených drah u rakoviny? • 11 – 15, obvykle 13 • pro každou z nich je třeba identifikovat „driver“ mutace a nalézt příslušné cílené terapeutické postupy pro eliminaci jejich účinku 86 Frost and Levin (1992): „There is nothing that a metastatic cell can do that is not a routine task for normal cells“. Neadekvátní chování nádorových buněk nevzniká de novo, ale souvisí s vyjádřením jinak normálních vlastností buněk v nesprávném místě a čase. 87 Mobilita je vlastní mnoha normálním buňkám - např. granulocytům, lymfocytům, monocytům a makrofágům, myogenním kmenovým buňkám somitů, primordiálním zárodečným buňkám 88 Agresivní chování nádorových buněk má rovněž fyziologickou obdobu např. proces oplodnění: • probíhá mimo dělohu • vyvíjející se embryo se dostává do dělohy až v okamžiku, kdy je schopné implantace do děložní výstelky • implantaci embrya zajišťují agresivní trofoblastové buňky, které mají schopnost rozložit děložní výstelku, včetně matrix konektivní tkáně a mateřských krevních kapilár (účast proteáz) • obdobnou vlastnost mají buňky nádorové 89 Stádia vývoje nádoru dle patologů: „grading / staging“ GRADE vyjadřuje stupeň diferenciace nádorových buněk, míru jejich cytologické odlišnosti od buněk zdravých a frekvenci mitotických buněk uvnitř nádoru • nízký „grade“ charakterizuje dobře diferencované nádory s minimálním počtem cytologických abnormalit a nízkou frekvencí mitotických buněk • vysoký „grade“ signalizuje, že nádory jsou složeny z málo diferencovaných buněk se zřetelnými cytologickými změnami a vysokou frekvencí mitóz 90 Stádia vývoje nádoru dle patologů: „grading / staging“ STAGE vyjadřuje velikost nádoru, rozsah jeho přechodu do okolní tkáně, rozšíření do lymfatických uzlin a přítomnost nebo nepřítomnost kostních metastáz Podle amerického systému AJC se rozlišuje T stage udávající velikost nádoru a stupeň penetrace do okolní tkáně, N stage udávající přítomnost nádoru v uzlinách a M stage udávající existenci metastáz v kostech. GRADE THE TUMOR! STAGE THE PATIENT!