RNDr. Jan Šrámek jan.sramek@lf3.cuni.cz Vznik nádorové buňky RNDr. Jan Šrámek jan.sramek@lf3.cuni.cz 2013 Seminář molekulární a buněčné biologie

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

Buněčná transformace Co je to buněčná transformace?

Buněčná transformace Co je to buněčná transformace? Proces při kterém z normální buňky vzniká buňka nádorová Nádorová buňka = transformovaná buňka Ne všechny transformované buňky jsou nádorové buňky (buňky v buněčných kulturách)

Vlastnosti transformovaných buněk Jaké jsou typické vlastnosti transformovaných buněk?

Vlastnosti transformovaných buněk Jaké jsou typické vlastnosti transformovaných buněk? Snížená závislost proliferace na cytokinech Ztráta „anchorage dependence“

Vlastnosti transformovaných buněk Jaké jsou typické vlastnosti transformovaných buněk? Snížená závislost proliferace na cytokinech Ztráta „anchorage dependence“ Schopnost neregulovaného klonálního růstu, ztráta kontaktní inhibice

Vlastnosti transformovaných buněk Jaké jsou typické vlastnosti transformovaných buněk? Snížená závislost proliferace na cytokinech Ztráta „anchorage dependence“ Schopnost neregulovaného klonálního růstu, ztráta kontaktní inhibice Nesmrtelnost (uvolnění ze závislosti „lifespan limit“) a rezistence k apoptóze Neschopnost diferenciace Schopnost indukce angiogeneze Změna v povrchových molekulách a ve stavbě chromozomů (CD44, annexiny, aj.) Genetická nestabilita

Vlastnosti transformovaných buněk Jaké jsou typické vlastnosti transformovaných buněk? Snížená závislost proliferace na cytokinech Ztráta „anchorage dependence“ Schopnost neregulovaného klonálního růstu, ztráta kontaktní inhibice Nesmrtelnost (uvolnění ze závislosti „lifespan limit“) a rezistence k apoptóze Neschopnost diferenciace Změna v povrchových molekulách a ve stavbě chromozomů Genetická nestabilita Rakovinné buňky se nedělí rychleji nebo jinak než normální buňky, ale množí se pořád (v čase i prostoru)

Mechanismy transformace Co je podstatou mechanismu buněčné transformace? Co jsou onkogeny a co anti-onkogeny, jmenujte nějaké. Kolik je zhruba potřeba akumulovat genetických změn, aby vznikla nádorová buňka? Jaké jsou nejčastější genetické změny (typy) při procesu buněčné transformace? Jaká je hypotetická pravděpodobnost vzniku nádoru u člověka? Co může pozitivně ovlivnit incidenci rakoviny? Co může negativně ovlivnit incidenci rakoviny?

Mechanismy transformace Jaké jsou mechanismy transformace? Několikastupňový proces (incidence koreluje s věkem)

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

Mechanismy transformace Jaké jsou mechanismy transformace? Několikastupňový proces (incidence koreluje s věkem) Nevratný proces Pod selekčním tlakem

Proces pod selekčním tlakem

Mechanismy transformace Několikastupňový proces (incidence koreluje s věkem) Nevratný proces Pod selekčním tlakem Spontánní × 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 × skutečnost. Působení kancerogenů a následné zvýšení kumulace mutací × imunitní systém

Mechanismy transformace Několikastupňový proces (incidence koreluje s věkem) Nevratný proces Pod selekčním tlakem Spontánní × 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 × skutečnost. Působení kancerogenů a následné zvýšení kumulace mutací × imunitní systém Imunitní systém 10-8 Incidence rakoviny Incidence rakoviny 10-8 Působení mutagenů

Teorie imunitního dozoru Co je podstatou teorie imunitního dozoru?

Teorie imunitního dozoru Co je podstatou teorie imunitního dozoru? 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. Vznik nádorů jako důsledek selhání imunitního systému při eliminaci nádorových buněk

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

Filadelfský chromozom Regulační doména Tyrosin-kinázová doména Translokace Abl proto-onkogenu (tyrosin kináza) za promotor pro Bcr protein. Bcr protein je hojně produkován v lymfocytech, má silný promotor. Fúzovaný protein má abnormální buněčnou lokalizaci a zvýšenou tyrozin-kinázovou aktivitu (chybí regulační doména)  žádná regulace signalizace  výrazná změna kvality. Zároveň výrazně zvýšená exprese díky promotoru genu Bcr  výrazná změna kvantity Zodpovědný za řadu typů leukémií.

Bodová mutace genu c-ras Protein s GTPázovou funkcí Signální molekula Mutace proteinu Ras vede k jeho nepřetržité aktivaci  zvýšení exprese proteinů stimulující buněčné dělení  vznik nádoru

Kancerogeny Co jsou kancerogeny a jak působí? Jaké tři základní skupiny kancerogenů rozeznáváme? Uveďte příklad každého typu kancerogenu. Jakým mechanismem působí chemické kancerogeny buněčnou transformaci? Co způsobuje ionizující záření? Co způsobuje UV záření?

Kancerogeny Na základě interakce s DNA způsobují genetické změny (mutace) vedoucí k transformaci buňky Tři základní typy kancerogenů: Chemické Fyzikální Biologické

Chemické kancerogeny Způsobují tranzice, transverze a modifikace bazí. 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 Polycyklické uhlovodíky: P-450, benzopyren Prokancerogeny: nutná metabolická aktivace N-acetyl-2-aminofluoren (AAF), Benzopyren, Aflatoxiny, dusičnany a další

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

Biologické kancerogeny Jaký je mechanismus vzniku nádorové buňky v důsledku působení onkogenního viru?

Biologické kancerogeny Jaký je mechanismus vzniku nádorové buňky v důsledku působení onkogenního viru? Jaké viry (uveďte příklady) působí jako kancerogeny?

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

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 Protein E6 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 Co to je a jaká je jeho funkce v organismu? Kolik transformovaných buněk stačí ke vzniku nádoru? Kde v organismu nejčastěji vzniká? Jaký je rozdíl mezi benigním a maligním tumorem? Do jakých základních skupin klasifikujeme tumory? Co je to metastáze a jak vzniká?

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 hematopoetických 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

Vznik metastáze Primární nádor Sekundární nádor - metastáze

Nádorová terapie Jaké jsou základní přístupy při nádorové terapii? Jaká chemoterapeutika znáte a jaký je obecný mechanismus jejich působený? Jaké další preparáty se používají? Co je to genová terapie?

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

Diferenciační 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

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 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

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)