vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

43
Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees Onkobioloogia Taavi Päll lektor, TTÜ

Upload: taavi-paell

Post on 14-Apr-2017

180 views

Category:

Education


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Vähirakkude interaktsioonid stroomarakkudega ja angiogeneesOnkobioloogia

Taavi Päll lektor, TTÜ

Page 2: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

2/43

Page 3: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Recap

Page 4: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 5: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Vähi mikrokeskkond: strooma

Page 6: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Vähi mikrokeskkondKasvajarakud ei eksisteeri organismis isoleeritult, neid ümbritseb kompleksne keskkond, miskoosneb:

normaalsetest rakkudest,

sekreteeritud valkudest,

füsioloogilistest madalmolekulaarsetestühenditest (hormoonid),

veresoontest.

·

·

·

·

Pilt: Nature.com

6/43

Page 7: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 8: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 9: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 10: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 11: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 12: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 13: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 14: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 15: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 16: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 17: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 18: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 19: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 20: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 21: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 22: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Epiteliaal-mesenhümaalne transformatsioon

Pilt: TGF-beta-induced epithelial to mesenchymal transition Xu et al., 2009

22/43

Page 23: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 24: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 25: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 26: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Kasvaja makrofaagid

Pilt: Breast tumor-associated macrophages (TAMs).

26/43

Page 27: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 28: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Makrofaagide polarisatsioonVähis polariseeruvad makrofaagid immuunsupressiivses M2 suunas

Pilt: Quatromoni & Eruslanov, 2012.

28/43

Page 29: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Makrofaagide funktsioonid vähi mikrokeskkonnas

Pilt: Coffelt et al., 2009.

29/43

Page 30: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

HüpoksiaVeresooned varustavad kudesid hapniku ja toitainetega

Pilt:hüpoksiline piirkond (roheline) roti ajukasvajas. Punane värv, veresooned. www.hypoxyprobe.com

30/43

Page 31: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 32: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Vähi veresoonedKasvaja veresooned on heterogeense luumeniga, lekkivad ja ebakorrapärased·

Pilt: Fukumura et al., 2010.

32/43

Page 33: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 34: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Veresoonte arv seostub halvema elulemusegarinnavähis

Pilt: Uzzan et al., 2004.

34/43

Page 35: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

VEGF ekspressioon vähis on seotud elulemusega

Pilt: Konecny et al., 2004.

35/43

Page 36: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 37: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Vähis on vähemalt kuus eri tüüpi sooni

Pilt: Nagy et al., 2010.

37/43

Page 38: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 39: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 40: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Veresooned kasvavad piki FN maatriksit

40/43

Page 41: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

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

Page 42: Vähirakkude interaktsioonid strooma rakkudega ja angiogenees

Lingid teistele loengutele