Vznik nádorové buňky Seminář molekulární a buněčné biologie Mgr. Jan Šrámek jan.sramek@lf3.cuni.cz

O čem si budeme povídat Buněčná transformace Vlastnosti transformovaných buněk Mechanismy transformace Kancerogeny Nádory a jejich rozdělení Nádorová terapie

Buněčná transformace Proces transformace normální buňky reagující na zpětnovazebné homeostatické mechanizmy na buňku schopnou autonomního růstu a invaze Nádorová buňka = transformovaná buňka Ne všechny transformované buňky jsou nádorové buňky (buňky v buněčných kulturách)

Vlastnosti transformovaných buněk Rakovinné buňky se nedělí rychleji nebo jinak než normální buňky, ale množí se pořád (v čase i prostoru). Nezávislost proliferace na stimulačních cytokinech Ztráta „anchorage dependence“ Schopnost neregulovaného klonálního růstu, ztráta kontaktní inhibice Nesmrtelnost (uvolnění ze závislosti „lifespan limit“) a rezistence k apoptóze Neschopnost diferenciace Zvýšená aktivita telomerázy Schopnost indukce angiogeneze Změna v povrchových molekulách a ve stavbě chromozomů Genetická nestabilita (schopnost přežít v hostitelském organismu)

Mechanismy transformace Několikastupňový proces (incidence koreluje s věkem) Nevratný proces Pod selekčním tlakem Spontánní x indukovaný Genetické změny (mutace): Frekvence vzniku nádoru 10-8 (zahrnuje 4 mutace, frekvence vzniku spontánní mutace 10-6, počet buněčných dělení 1016)  1 člověk ze 100 milionů x skutečnost. Působení kancerogenů a následné zvýšení kumulace mutací x imunitní systém

Několikastupňový proces postupné hromadění genetických změn (4–7 mutací), v rámci desítek různých genů (onkogenů a antionkogenů). Nádorová buňka 1. mutace 2. mutace 3. mutace 4. mutace

Mechanismy transformace Několikastupňový proces (incidence koreluje s věkem) Nevratný proces Pod selekčním tlakem Spontánní x indukovaný Genetické změny (mutace): Frekvence vzniku nádoru 10-8 (zahrnuje 4 mutace, frekvence vzniku spontánní mutace 10-6, počet buněčných dělení 1016)  1 člověk ze 100 milionů x skutečnost. Působení kancerogenů a následné zvýšení kumulace mutací x imunitní systém

Proces pod selekčním tlakem

Mechanismy transformace Několikastupňový proces (incidence koreluje s věkem) Nevratný proces Pod selekčním tlakem Spontánní x indukovaný Genetické změny (mutace): Frekvence vzniku nádoru 10-8 (zahrnuje 4 mutace, frekvence vzniku spontánní mutace 10-6, počet buněčných dělení 1016)  1 člověk ze 100 milionů x skutečnost. Působení kancerogenů a následné zvýšení kumulace mutací x imunitní systém Immune system 10-8 Cancer incidence Cancer incidence 10-8 Carcinogens

Teorie imunitního dozoru Vznik nádorů jako důsledek selhání imunitního systému při eliminaci nádorových buněk Většina nádorových buněk organismu je eliminována imunitním systémem (Tc-lymfocyty). Průměrná délka lidského dříve 35–40 let. Dnes v průmyslově vyspělých zemích výrazně vyšší. Maximální výkonnost imunitního systému mezi 30–40 lety života. Incidence rakoviny výrazně vyšší po 40 letech života.

Úloha genetických změn Kumulace genetických změn Primární úloha onkogenů a antionkogenů (tumor supresorové geny) Změna funkce (kvality) a/nebo hladiny exprese (kvantity) onko- /antionkoproteinů prostřednictvím především: Bodových mutací Delecí Chromosomálních translokací Genových amplifikací (c-abl) (c-abl) (c-abl) (c-ras) (c-ras) (c-ras) (c-myc, c-myb, N-ras) (c-myc, c-myb, N-ras) (c-myc, c-myb, N-ras)

Filadelfský chromozom Regulační doména Tyrosin-kinázová doména Reciproční translokace mezi 9. a 22. chromosomem Fúze genů Bcr (22. chromosom) a Abl (proto-onkogenu [tyrosin kináza] 9. chromosom. Bcr protein je hojně produkován v lymfocytech, nejasná funkce. Fúzní Bcr/Abl protein p210 má abnormální buněčnou lokalizaci a zvýšenou tyrozin-kinázovou aktivitu (chybí regulační doména)  žádná regulace signalizace  výrazná změna kvality. Zodpovědný za řadu typů leukémií.

Bodová mutace genu c-ras Ras protein má funkci GTPázy Signální molekula Mutace genu c-ras vede k nepřetržité aktivaci Ras proteinů  zvýšení exprese proteinů stimulující buněčné dělení  vznik nádoru (močového měchýře….)

Kancerogeny Na základě interakce s DNA způsobují genetické změny (mutace) vedoucí k transformaci buňky Faktory způsobují buněčnou transformaci: Chemické Fyzikální Biologické

Chemické kancerogeny Způsobují tranzice, transverze, modifikace bazí nebo se kovalntně váží na biomolukuly (DNA). Způsobují 80 % nádorů. Analogy bází: 5-bromuracil (BU) – nahrazuje T  transice bazí Látky modifikující báze: HNO2: deaminuje C na U, A na hX, G na X  transice HSO-3: deaminuje C na U  transice NH2OH H2N-O-CH3 Alkylační látky: alkylsulfáty, N-alkyl-N-nitrózaminy (dusičnany). Alkylují C, T a G  blokují nebo mění párování bází, vytváří mezi- a vnitrořetězcové křížové vazby  blokace replikace a transkripce Psoraleny: interkalární látky, furokumarin, 8-metoxypsoralen Prokancerogeny: nutná metabolická aktivace specifickými enzymy (cytochrom P-450) N-acetyl-2-aminofluoren (AAF), α-Nafthylamin, Benzo(a)pyren, Aflatoxiny, dusičnany a další.

Příklady z historie 1761: John Hill – polypy u šňupačů tabáku 1775: Sir Percival Pott – karcinom skrota u kominíků (první pracovní onemocnění), dlouhodobá práce s karcinogeny (asbest, benzen, nitrosaminy….) 1795: Samuel von Soemmering – kouření dýmky jako karcinogen. Sir Percival Pott Samuel von Soemmering

Aktivace benzo(a)pyrenu

Tumorigeneze aromatických uhlovodíků „fjord“ „záliv“ Neplanární Diolepoxidy Reagující s DNA (A) Vysoce karcinogenní Planární Méně reaktivní Méně karcinogenní

Aktivace α-Nafthylaminu Používán v barvířském průmyslu Silný karcinogen s latencí 15-20 roků V játrech tranformován na karcinogen a následně konjugován na nekarcinogenní glykosid Hydrolýza v močovém měchýři: uvolnění aktivního karcinogenu  karcinomy močového měchýře OH OR NH2 NH2 NH2 Moč.měchýř NH-OH NH-OR

Fyzikální kancerogeny Ionizující záření: dsDNA zlomy vznik křížových vazeb (kovalentní vazba mezi protilehlými nukleotidy) modifikace bazí (8-hydroxyguanin, 5-hydroxymetyluracil…) UV záření: excitace atomů  vznik tyminových dimerů  blok replikace a transkripce

Biologické kancerogeny Viry: onkogenní RNA viry: retroviry (klasické onkogeny) HIV – zřejmě pouze podpůrná funkce, Kaposiho sarkom… lidský lymfotropní virus typu I a II (HTLV-1, HTLV-2) – T-leukémie, lymfomy HCV – hepatokarcinomy onkogenní DNA viry: papovaviry (HPV) – anogenitální nádory herpesviry - virus Epstein-Barrové (EBV) – lymfomy (BL, HD), nazofaryngeální karcinomy (NPC); aj. (HCMV; HSV-2; KSHV) hepadnaviry - virus hepatitidy B (HBV) - hepatokarcinomy adenoviry u zvířat

HPV Genom viru kružnicová dsDNA (8 kb) Protein E7 inhibice Rb-proteinu inaktivace p21Cip a p27Kip ruší inhibiční působení TGF- na růst buněk způsobuje tvorbu násobných centrozóm Protein E6 degradace p53 (užitím ubiquitin ligázy E6AP) interaguje s Bak (inhibice apoptózy) aktivuje expresi hTERT (aktivace telomerázy) Genom se integruje do více míst hostitelského genomu Integrace však specifická vzhledem ke genomu viru – porucha exprese genu pro protein E2 (reguluje expresi E6 a E7)

Podíl proteinů E6 a E7 papilomavirů na transformaci buňky

Podíl proteinů E6 a E7 papilomavirů na transformaci buňky

Biologické kancerogeny „Infekční rakovina“: CTVT u psů (Stickerův sarkom) nevirová parazitická rakovina Švanových buněk (DFTD) u Ďábla medvědovitého (Sarcophilus harrisii) Histiocyty

Tumor Útvar tvořený rakovinnými a pojivovými buňkami, které jsou pod kontrolou rakovinných buněk (stroma a buňky krevních cév). Nemá v organismu fyziologickou funkci Jeho růst není v koordinaci s růstem okolních tkání a rovnovážným stavem organismu. V organismu vzniká zejména na místech s vysokou proliferační aktivitou, která jsou současně nejvíce vystavena působení kancerogenů, tj. zejména epitely (kůže, plíce, trávicí trakt, ale i prsní žláza) Ke vzniku nádoru stačí jediná transformovaná buňka! (klonální charakter)

Klasifikace nádorů I Podle schopnosti infiltrovat do jiné tkáně: Benigní (nezhoubné): pevný ohraničený útvar, lokalizován v jednom místě, pomalu proliferující, symtomy lokálního charakteru. Maligní (zhoubné): pronikají do okolních tkání a prostřednictvím krevního a lymfatického systému do celého těla, v nových tkáních vyvolávají tvorbu sekundárních nádorů (metastází) Z tohoto pohledu lze klasifikovat nádory na primární a sekundární.

Klasifikace nádorů II Podle zdrojového typu buněk (tkání): Karcinomy – nádory epiteliálních buněk (asi 89 % lidských nádorů) Sarkomy – pevné nádory vzniklé z podpůrných či pojivových buněk (tkání) – svalů, kostí, chrupavky (asi 2 % lidských nádorů) Leukémie a lymfomy - odvozené od hematopoietických buněk a buněk imunitního systému (asi 8 % lidských nádorů) Gliomy - nádory odvozené z nervové tkáně (asi 1 % lidských nádorů)

Klasifikace nádorů III Podle postiženého orgánu (tkáně): karcinom plic kolorektální karcinom nádor prsu nádor těla děložního nádor prostaty nádor žaludku nádor vaječníků akutní myeloidní leukémie a mnoho dalších

Proces vzniku nádoru

Vznik metastáze Primární nádor Sekundární nádor - metastáze

Nádorová terapie Klasické přístupy: Místní terapie - chirurgický zásah, lokální ozařování ( záření) Systémový přístup k terapii (v kombinaci s chirurgickým zásahem a ozařováním) - Chemoterapie Chemoterapie: Cytotoxické látky: Cyklofosfamid, cisplatina, metotrexát, doxorubicin (interakce s DNA) Cytostatika: Vinca alkaloidy (vinblastin, vinkristin), taxany Použití cytokinů v terapii: Inhibitory buněčné proliferace a induktory apoptózy: Interferony, TNF Podpůrné působení cytokinů: IL-2, GM-CSF Biologická léčba (cílená léčba, [genová terapie]): “Antisense” oligonukleotidy: proti příslušným onkogenům Transfekce: funkční anti-onkogeny ….

Biologická léčba (cílená léčba) Využívá obranyschopnost organismu a cílená léčiva (modifikátory imunitní odpovědi) se specifickým účinkem. zastavuje, napravuje nebo omezuje procesy umožňující nádorový růst označuje nádorové buňky zlepšuje schopnost některých buněk imunitního systému (T-lymfocyty, makrofágy) ničit nežádoucí buňky mění růstové schopnosti nádorových buněk blokuje či napravuje procesy, které ze zdravé buňky dělají buňku nádorovou zlepšuje schopnost organismu opravovat a nahrazovat buňky poškozené jinými typy protinádorové léčby zabraňuje šíření nádorových buněk

Biologická léčba Preparáty: Vysoké ceny specifických preparátu Monoklonální protilátky Diferenciační léčba Inhibitory proteasomu, tyrosinkináz Antiangiogenní léčba Antisense oligonukleotidy Vysoké ceny specifických preparátu Využívá se v přesně definovaných situacích a vzhledem k extrémní finanční náročnosti pouze po splnění daných kritérií: vhodný podtyp nádoru vyčerpání jiných možností léčby dosažení nežádoucích účinků předchozí léčby

Monoklonální protilátky

Biologická léčba Preparáty: Vysoké ceny specifických preparátu Monoklonální protilátky Diferenciační léčba Inhibitory proteasomu, tyrosinkináz Antiangiogenní léčba Antisense oligonukleotidy Vysoké ceny specifických preparátu Využívá se v přesně definovaných situacích a vzhledem k extrémní finanční náročnosti pouze po splnění daných kritérií: vhodný podtyp nádoru vyčerpání jiných možností léčby dosažení nežádoucích účinků předchozí léčby

Difereciační terapie Vývojová řada Diferenciovaná buňka Progenitorová buňka Mutace Diferenciovaná buňka Nádorová buňka Specifický preparát

Biologická léčba Preparáty: Vysoké ceny specifických preparátu Monoklonální protilátky Diferenciační léčba Inhibitory proteasomu, tyrosinkináz Antiangiogenní léčba Antisense oligonukleotidy Vysoké ceny specifických preparátu Využívá se v přesně definovaných situacích a vzhledem k extrémní finanční náročnosti pouze po splnění daných kritérií: vhodný podtyp nádoru vyčerpání jiných možností léčby dosažení nežádoucích účinků předchozí léčby

Inhibice proteasomu

Biologická léčba Preparáty: Vysoké ceny specifických preparátu Monoklonální protilátky Diferenciační léčba Inhibitory proteasomu, tyrosinkináz, Antiangiogenní léčba Antisense oligonukleotidy Vysoké ceny specifických preparátu Využívá se v přesně definovaných situacích a vzhledem k extrémní finanční náročnosti pouze po splnění daných kritérií: vhodný podtyp nádoru vyčerpání jiných možností léčby dosažení nežádoucích účinků předchozí léčby

Anti-angiogenní terapie

Biologická léčba Preparáty: Vysoké ceny specifických preparátu Monoklonální protilátky Diferenciační léčba Inhibitory proteasomu, tyrosinkináz, Antiangiogenní léčba Antisense oligonukleotidy Vysoké ceny specifických preparátu Využívá se v přesně definovaných situacích a vzhledem k extrémní finanční náročnosti pouze po splnění daných kritérií: vhodný podtyp nádoru vyčerpání jiných možností léčby dosažení nežádoucích účinků předchozí léčby

Antisense oligonukleotidy

Biologická léčba Vysoké ceny specifických preparátu Využívá se v přesně definovaných situacích a vzhledem k extrémní finanční náročnosti pouze po splnění daných kritérií: vhodný podtyp nádoru vyčerpání jiných možností léčby dosažení nežádoucích účinků předchozí léčby

Biologická léčba Typy nádorů u kterých připadá biologická léčba v úvahu: nádory ledvin nádory prostaty nádory tlustého střeva nádory plic nádory prsu nádory ženských pohlavních orgánů melanom Kaposiho sarkom

Děkuji za pozornost Navazující seminář: Mechanismy působení onkogenů a tumor- supresorových genů (č. 130)