vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees
TRANSCRIPT
Vähirakkude interaktsioonid stroomarakkudega ja angiogeneesOnkobioloogia
Taavi Päll lektor, TTÜ
2/43
Recap
Genoomiterviklikkuse kontrollEpiteeli struktuur minimeerib geenikahjustusi.
Raku toksiinipumbad (P-glükovalk, Pgp)
Tüviraku nišš ei jagune intensiivselt.
Biokeemilised DNA reparatsioonimehhanismid: MMR, BER, NER.
Kahjustuste tolereerimismehhanismid, et vältida genoomi ebastabiilsust (translesion DNAsynthesis).
·
Koes kõige seespool asub tüvirakunišš.
Soole mukoosa kaitseb toksiinide/mutageenide eest.
-
-
·
·
·
·
4/43
Vähi mikrokeskkond: strooma
Vähi mikrokeskkondKasvajarakud ei eksisteeri organismis isoleeritult, neid ümbritseb kompleksne keskkond, miskoosneb:
normaalsetest rakkudest,
sekreteeritud valkudest,
füsioloogilistest madalmolekulaarsetestühenditest (hormoonid),
veresoontest.
·
·
·
·
Pilt: Nature.com
6/43
Kasvajad sisaldavad suures mahus strooma rakke
Vasemal: E-kadheriini antikehaga värvitudrinnavähi koelõigud. E-kadheriiniekspresseerivaid vähirakke ümbritsebrohkelt stroomarakke.
Parem: anti-PINCH-positiivne tuumorigaassotseerunud strooma (TAS)
·
·
Pildid: Gupta et al., 2003 ja Wang-Rodriguez et al., 2002.
7/43
Kasvajad sisaldavad suures mahus strooma rakkeKõige sagedasemad vähitüübid nagu rinna, käärsoole, mao ja pankrease kartsinoomidsisaldavad kuni 90% mitte-neoplastilisi rakke.
Hodgkinsi lümfoomis on üksikud neoplastilised tsütokiine sekreteerivad Reed-Steinbergirakud ümbritsetud 99% normaalsetest lümfotsüütidest.
·
·
Pilt: Wikimedia.
8/43
Kasvaja mikrokeskonnas resideeruvad rakutüübidLisaks neoplastilistele rakkudele leidub vähis erinevas proportsioonis normaalseid rakke:
T lümfotsüüdid, B lümfotsüüdid, NK ja NKT rakud, makrofaagid (TAM), müeloidset päritolusuppressor-rakud (MDSC), dendriitrakud, neutrofiilid, fibroblastid, müofibroblastid,adipotsüüdid, endoteelirakud, peritsüüdid, lümfoid-endoteel.
·
Pilt: Quail & Joyce, 2013.
9/43
Fibrotsüüdid, nuumrakud, silelihasrakudÜlemiste hingamisteede kartsinoomis(HNSCC) on erinevat tüüpi rakke:
·
CD34+ fibrotsüüdid (inaktiivsedfibroblastid) normaalses (A) ülemistehingamisteede stroomas jakartsinoomi (üleval paremal)ümbritsemas (B).
-SMA+ silelihasrakud (C) ja CD117+nuumrakud (D) vähi stroomas.
CD117+ nuumrakud normaalsesstroomas (E) ja kartsinoomis (F).
-
- α
-
Pilt: Barth et al., 2004.
10/43
Mis põhjustab erinevate normaalsete rakutüüpideolemasolu kasvajasKuidas saab moos kommi sisse?On välja pakutud kaks alternatiivi:
1. Vähis olevad normaalsed rakud on jäänukid algsest koest enne tumorigeneesi algust.
2. Normaalsete rakkude viibimine kasvajas on tingitud heterotüüpsest signalisatsioonist.
·
·
11/43
Heterotüüpne ligand-retseptor signalisatsioonErinevate rakutüüpide vahelist signaliseerimist nimetatakse heterotüüpsekssignalisatsiooniks.
Heterotüüpne signalisatsioon soodustab või pidurdab kõrvalolevate teiste rakutüüpidejagunemist ja/või ellujäämist.
Näiteks: soole epiteelirakud ekspresseerivad c-MET retseptorit aga soole mesenhüüm selleligandi HGF/SF kasvufaktorit.
·
·
·
Pilt: Retsiprookne PDGF-A ja PDGFR-a ekpsressioon testistes. PDGF-A-d ekspresseerivad tubulaarse epiteeli rakud ja PDGF-R ekspresseerivad mesenhümaalsedrakud. Gnessi et al., 2000.
12/43
Kasvajarakud kontrollivad stroomatHeterotüüpse signalisatsiooni faktorid
Sarnaselt normaalse epiteeliga kontrollivad ka kartsinoomi rakud ümbritsevaidnormaalseid kudesid indutseerides neid kasvama.
Teistpidi, strooma rakud võivad signaliseerida vähirakkudele ka kasvu pidurdavalt.
·
mitogeensed kasvufaktorid (HGF/SF, VEGF, TGF- , PDGF),
kemokiinid (SDF-1/CXCL12, CXCL5)
kasvu inhibeerivad signaalid (TGF- ),
troofilised faktorid mis vahendavad ellujäämist (insulin-like growth factor-1/2, IGF-1/2).
- α
-
- β
-
·
·
13/43
Heterotüüpsed interaktsioonid mängivad rolli vähitekkel ja arengus
Krooniliste põletike korral toimivad strooma rakud nagu makrofaagid, neutrofiilid jalümfotsüüdid vähi teket soodustava faktorina kuna loovad pro-inflammatoorse keskkonna(sekreteerivad TNF- ja prostaglandiine).
Kartsinoomi rakud sekreteerivad PDGF-i, mille retseptorid on ekspresseeritud stroomarakkudel - fibroblastid, müofibroblastid ja makrofaagid. Strooma rakud sekreteerivadvastusena PDGF-ile IGF-1, mis omakorda soodustab vähirakkude kasvu ja ellujäämist.
Melanoomid sekreteerivad samuti PDGF-i, mis indutseerib fibroblastidel IGF-2 sekretsiooni.
Rinnavähi rakud sõltuvad strooma fibroblastide poolt sekreteeritud SDF-1/CXCL12kemokiinist ja HGF/SF-st.
·
α
·
·
·
14/43
Note the relative uniformity of the HT-29 (A)and SW480 (B) tumors relative to the primary(C) or PDX tumor (D).
Vähiraku liinide ksenograftid hiires erinevadreaalsetest kasvajatest
Pilt: Williams et al., 2013.
Patient-derived xenograft (PDX) models ofcolorectal cancer recapitulate primarytumor heterogeneity.
Hematoxylin and eosin (H&E) stainedslides of xenografts generated bytraditional HT-29 (A) or SW480 (B)colorectal cancer cell lines, vs a primarycolorectal tumor, SCRX-PDX-CR101-p0 (C),and the same patient’s PDX tumorfollowing passaging through NOD/SCIDmice, SCRX-PDX-CR101-p1 (D).
·
·
15/43
Vähk on kui haav mis ei paraneHarold Dvorak avaldas 1986. aastal omatähelepanekud, et vähikolle meenutabmitmes mõttes haava mis ei suudaparaneda artiklis "Tumors: Wounds That DoNot Heal" HF Dvorak, 1986.
Haava paranemisel eristataksepõletikuline faas, proliferatiivne faas jaküpsemisfaas.
·
·
Pilt: cell.com
16/43
Haava paranemine
Stages of wound healing. Wound healing is classically divided into four stages: (A) hemostasis, (B) inflammation, (C) proliferation, and (D) remodeling. Each stageis characterized by key molecular and cellular events and is coordinated by a host of secreted factors that are recognized and released by the cells of thewounding response. A representative subset of major factors are depicted. PDGF, platelet-derived growth factor; TGF, transforming growth factor; FGFs,fibroblast growth factors; IL-1, interleukin-1; TNF, tumor necrosis factor; KGF, keratinocyte growth factor; IGF, insulin-like growth factor; IFN, interferon; VEGF,vascular endothelial growth factor; HGF, hepatocyte growth factor; MMP, matrix metalloproteinase; TIMP, tissue inhibitor of metalloproteinase. Advances inskin grafting and treatment of cutaneous wounds
17/43
Geeniekspressioon näitab haava �broblastide ja vähisarnasust
Pilt: Gene Expression Signature of Fibroblast Serum Response Predicts Human Cancer Progression: Similarities between Tumors and Wounds Chang et al.,2004.
18/43
Vähk kui haavFibriin tuumoris
Haavas vabanev koefaktor (tissue factor)käivitab vere koagulatsioonikaskaadi milletulemusena vere plasma fibrinogeenkonverteeritakse trombiini vahenduselfibriiniks ning moodustub haava sulgevklomp.
Fibriin (pruun värvus) naha stroormasümber rinnavähi naha metastaasi.
·
·
Pilt: Colpaert et al., 2003.
19/43
Haavas indutseeritakse epiteelirakkudel EMTHaava paranemise põletikulises faasis fibriinklompi põhjustavad vereliistakud ja seejärelklompi migreeruvad makrofaagid sekreteerivad TGF- ja TGF- kasvu faktoreid.
TGF- põhjustab haava kõrval olevate epiteelirakkude epiteliaal-mesenhümaalsetransformatsiooni (EMT).
Sellised EMT läbinud epiteelirakud muutuvad müofibroblastideks, migreeruvad fibriinklombialla ja katavad dermise. Müofibroblastides ekspresseeritav silelihas aktiin põhjustab haavakokku tõmbamise.
·β α
· β
·
Pilt: http://bme240.eng.uci.edu.
20/43
Epiteliaal-mesenhümaalne transformatsioon (EMT)EMT on protsess mille käigus epiteelirakud kaotavad polaarsuse,rakkudevahelised adhesioonid, omandavad amööbse liikumise ja invasiivsevõime
Vähi metastaaside teke on seotud EMT-ga: kartsinoomi rakud kaotavad E-kadheriiniekspressiooni, murravad läbi basaalmembraani, sisenevad vereringesse, moodustavaddistaalseid mikrometastaase ja läbivad EMT-le vastupidise protsessi MET (mesenhümaal-epiteliaalne transformatsioon).
EMT annab vähirakkudele resistentsuse onkogeen-indutseeritud senesentsile.
EMT-ga seotud transkriptsioonifaktorid Twist1, Twist2 ja ZEB1 kaitsevad ka inimese ja hiirefibroblaste senesentsi eest.
·
·
·
21/43
Epiteliaal-mesenhümaalne transformatsioon
Pilt: TGF-beta-induced epithelial to mesenchymal transition Xu et al., 2009
22/43
Kasvaja �broblastid (CAF)CAF-id on kõige suurearvulisem vähi strooma rakutüüp tahketes kasvajates
Pilt: TGF-beta in CAF-mediated tumor growth and metastasis.
Normaalselt, koe kahjustuste korraldiferentseeruvad fibroblastidmüofibroblastideks(=CAF).
CAF-id võivad olla erinevat päritolu jadiferentseeruda ka
·
·
epiteelist,
endoteelist (endothelial-to-mesenchymal transition),
silelihasrakkudest,
mesenhümaalsetest tüvirakkudest.
-
-
-
-
23/43
Kasvaja �broblastidIndutseerivad ja soosivad tuumori kasvu, angiogeneesi, põletikku ningmetastaase
Sekreteerivad tervet rida pro-tumorigeenseid kasvufaktoreid, sh. HGF/SF, FGF-e, SDF-1/CXCL12 ja TGF- .
TGF- roll: vähirakkudes on kas inaktiveerinud kogu TGF- rada või on inaktiveeritud p15geen CDKN2B.
TGF- indutseerib epiteliaal-mesenhümaalset transformatsiooni (EMT).
·β
· β β
Kolorektaalvähis on TGF- ekspressioon nihkunud epiteeli rakkudelt strooma rakkudeleja CAF-idele.
Epiteelirakud ekspresseerivad märksa vähem p-SMAD2/3 võrreldes strooma rakkudegavõi pre-maliigses koes olevate epiteelirakkudega.
- β
-
· β
24/43
TGF- signalisatsioon muudab �broblastid CAF-ideksβ
Pilt: Interaction with colon cancer cells hyperactivates TGF-β signaling in cancer-associated fibroblasts. Hawinkels et al., 2014.
25/43
Kasvaja makrofaagid
Pilt: Breast tumor-associated macrophages (TAMs).
26/43
Kasvaja makrofaagidKoe makrofaagid on müeloidse liini rakud mis diferentseeruvadtsirkuleerivatest monotsüütidest
Makrofaagid osalevad rakulises immuunvastuses, immuunsüsteemi regulatsioonis ja haavaparanemises.
Makrofaagid võivad diferentseeruda kahes suunas:
·
·
tüüp 1 (M1), vastusena bakteriaalse infektsioonile ja Th1 sekreteeritavale INF-muutuvad aktiivselt fagotsüteerivateks rakkudeks, suunatud ka vähirakkude vastu;
tüüp 2 (M2), vastusena nt. vähi poolt sekreteeritud tsütokiinidele IL-4, IL-10, IL-13 võiTGF-β ja prostaglandiin E2 diferentseeruvad makrofaagid immuunosupressiivseteksjasarnaselt Th2 rakkudele hakkavad Th1-supresseerivaid tsütokiine tootma (IL-10 ja IL1
).
- γ
-
β
27/43
Makrofaagide polarisatsioonVähis polariseeruvad makrofaagid immuunsupressiivses M2 suunas
Pilt: Quatromoni & Eruslanov, 2012.
28/43
Makrofaagide funktsioonid vähi mikrokeskkonnas
Pilt: Coffelt et al., 2009.
29/43
HüpoksiaVeresooned varustavad kudesid hapniku ja toitainetega
Pilt:hüpoksiline piirkond (roheline) roti ajukasvajas. Punane värv, veresooned. www.hypoxyprobe.com
30/43
Kasvaja angiogeneesi paradigmaTahked kasvajad ei saa areneda üle 1 mm suuruse ilma angiogeneesiinitsieerimata
Pilt: Veresoone poolt ülalpeetavatest vähirakkudest moodustub ring ümber soone. Väljaspool seda ringi on vähirakud suremas/surnud. Dunning rotieesnäärme kartsinoomi ksenograft. Lynn Hlatky, Philip Hahnfeldt, Judah Folkman, 2002.
31/43
Vähi veresoonedKasvaja veresooned on heterogeense luumeniga, lekkivad ja ebakorrapärased·
Pilt: Fukumura et al., 2010.
32/43
Angiogenic switchAngiogeneesi käivitumine sõltub pro-jaanti-angiogeneetiliste faktoritetasakaalust.
Pro-angiogeneetilised faktorid on VEGF,bFGF, Ang-2, Bv8.
Anti-angiogeneetilised faktorid nt.maatriksi komponendid trombospondiin-1(TSP-1), endostatiin, canstatin, tumstatin.Lahustuvad faktorid interferon-α ja -β (IFN-α and -β), angiostatin.
·
·
·
Pilt: The angiogenic switch in carcinogenesis Vanessa Baeriswyl, Gerhard Christofori, 2009.
33/43
Veresoonte arv seostub halvema elulemusegarinnavähis
Pilt: Uzzan et al., 2004.
34/43
VEGF ekspressioon vähis on seotud elulemusega
Pilt: Konecny et al., 2004.
35/43
Vähi versoonte klassi�katsioonSOONE TÜÜP SOONE OMADUSED VEGFA
SÕLTUVUS
Emasoon, mother vessel
(MV)
Suured, õhukeseseinalised, hüperpermeabiilsed, kergelt fenestreeritud peritsüütide
vaesed sinusoidid mis on pungil täis erütrotsüüte
+
Kapillaarid Moodustuvad MVdst sisemise jagunemise teel −
Glomeruloidsed
mikrovaskulaarsed
proliferatsioonid
Väheorganiseerunud vaskulaarsed struktuurid. Sisaldavad endoteelirakke ja peritsüüte.
Minimaalse luumeni ja iseloomulikult rikkaliku mitmekihilise basaalmembraaniga
+
Vaskulaarsed
väärmoodustised
malformations
MVd mis ebasümmeetriliselt kaetud silelihasrakkudega ja/või fibroosse sidekoega.
Sarnased arteriovenoossete väärmoodustistega.
−
Toitjaarterid ja äravoolu
veenid
Suurenenud, väljaveninud struktuurid, moodustunud olemasolevatest arteritest ja
veenidest. Väljuvad vähimassist radiaalselt, toidavad ja dreenivad vähi massis olevaid
sooni.
−
Vaskulaarne mimikri Verega täidetud tuumoris olevad avavused mida ümbritsevad vähirakud.
36/43
Vähis on vähemalt kuus eri tüüpi sooni
Pilt: Nagy et al., 2010.
37/43
Rakuväline maatriks (ECM)vähile on iseloomulik dereguleeritud ECM-i dünaamika: MMP-d, plasmin on tugevalt üleekspresseeritud
protelüütline aktiivsus pärit kasvajas resideeruvatest stroomarakkudest sh. TAM-d, CAF-d
erinevaid kollageene kasvajates oluliselt rohkem
kasvajad sellest tingituna füüsiliselt jäigemad
üle-ekspresseeritud proteoglükaanid, CD44: kasvufaktorite presenteerimine
·
·
·
·
·
38/43
ECM-i arhitektuur on kasvajates oluliselt erinevnormaalsest stroomast
kollageen-I: normaalselt mitte-orienteeritud fibrillide asemel on kollageen rinnakasvajatesselgelt lineaarselt orienteeritud
kasvaja stroomas kollageeni fiibrid tugevalt krosslingitud: lüsüüloksüdaasid (LOX, LOX-like 2)
krosslingitud ja tugevam maatriks indutseerib EC migratiooni ja angiogeneesi Bignon et al.(2011)
·
·
·
39/43
Veresooned kasvavad piki FN maatriksit
40/43
T lümfotsüüdidKasvajasse infiltreeruvad erinevad T-raku populatsioonid
T rakud lokaliseeruvad·
kasvaja välispiirile,
lähimasse lümfisõlme
kasvaja stroomasse - tsütotoksilised T-rakud.
-
-
-
CD3 positiivsed T-rakud soolevähimaksametastaaside piiril.
·
Pilt: Localization and Density of Immune Cells in the Invasive Margin of Human Colorectal Cancer Liver Metastases.
41/43
Lingid teistele loengutele
Sissejuhatav loeng
Vähitüübid
Onkoviirused
Onkogeenid
Retseptorid
Signaalirajad
Tuumorsupressorgeenid
Rakutsüklikontroll
·
·
·
·
·
·
·
·
p53 ja apoptoos
Immortalisatsioon
Tumorigenees
Genoomiterviklikkus
Mikrokeskkond
Metastaasid
Immuunsus
Vähiravimid
·
·
·
·
·
·
·
·
43/43