Onkobioloogia

1. Vähirakkudeinteraktsioonidstrooma
rakkudegajaangiogenees
Onkobioloogia
Taavi Päll
lektor, TTÜ

2. 2/43

3. Recap

4. Genoomiterviklikkuse kontroll
Epiteeli 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 DNA
synthesis).
·
Koes kõige seespool asub tüvirakunišš.
Soole mukoosa kaitseb toksiinide/mutageenide eest.
-
-
·
·
·
·
4/43

5. Vähi mikrokeskkond: strooma

6. Vähi mikrokeskkond
Kasvajarakud ei eksisteeri organismis isoleeritult, neid ümbritseb kompleksne keskkond, mis
koosneb:
normaalsetest rakkudest,
sekreteeritud valkudest,
füsioloogilistest madalmolekulaarsetest
ühenditest (hormoonid),
veresoontest.
·
·
·
·
Pilt: Nature.com
6/43

7. Kasvajad sisaldavad suures mahus strooma rakke
Vasemal: E-kadheriini antikehaga värvitud
rinnavähi koelõigud. E-kadheriini
ekspresseerivaid vähirakke ümbritseb
rohkelt stroomarakke.
Parem: anti-PINCH-positiivne tuumoriga
assotseerunud strooma (TAS)
·
·
Pildid: Gupta et al., 2003 ja Wang-Rodriguez et al., 2002.
7/43

8. Kasvajad sisaldavad suures mahus strooma rakke
Kõige sagedasemad vähitüübid nagu rinna, käärsoole, mao ja pankrease kartsinoomid
sisaldavad kuni 90% mitte-neoplastilisi rakke.
Hodgkinsi lümfoomis on üksikud neoplastilised tsütokiine sekreteerivad Reed-Steinbergi
rakud ümbritsetud 99% normaalsetest lümfotsüütidest.
·
·
Pilt: Wikimedia.
8/43

9. Kasvaja mikrokeskonnas resideeruvad rakutüübid
Lisaks neoplastilistele rakkudele leidub vähis erinevas proportsioonis normaalseid rakke:
T lümfotsüüdid, B lümfotsüüdid, NK ja NKT rakud, makrofaagid (TAM), müeloidset päritolu
suppressor-rakud (MDSC), dendriitrakud, neutrofiilid, fibroblastid, müofibroblastid,
adipotsüüdid, endoteelirakud, peritsüüdid, lümfoid-endoteel.
·
Pilt: Quail & Joyce, 2013.
9/43

10. Fibrotsüüdid, nuumrakud, silelihasrakud
Ülemiste hingamisteede kartsinoomis
(HNSCC) on erinevat tüüpi rakke:
·
CD34+ fibrotsüüdid (inaktiivsed
fibroblastid) normaalses (A) ülemiste
hingamisteede stroomas ja
kartsinoomi (üleval paremal)
ümbritsemas (B).
-SMA+ silelihasrakud (C) ja CD117+
nuumrakud (D) vähi stroomas.
CD117+ nuumrakud normaalses
stroomas (E) ja kartsinoomis (F).
-
- α
-
Pilt: Barth et al., 2004.
10/43

11. Mis põhjustab erinevate normaalsete rakutüüpide
olemasolu kasvajas
Kuidas 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

12. Heterotüüpne ligand-retseptor signalisatsioon
Erinevate rakutüüpide vahelist signaliseerimist nimetatakse heterotüüpseks
signalisatsiooniks.
Heterotüüpne signalisatsioon soodustab või pidurdab kõrvalolevate teiste rakutüüpide
jagunemist ja/või ellujäämist.
Näiteks: soole epiteelirakud ekspresseerivad c-MET retseptorit aga soole mesenhüüm selle
ligandi HGF/SF kasvufaktorit.
·
·
·
Pilt: Retsiprookne PDGF-A ja PDGFR-a ekpsressioon testistes. PDGF-A-d ekspresseerivad tubulaarse epiteeli rakud ja PDGF-R ekspresseerivad mesenhümaalsed
rakud. Gnessi et al., 2000.
12/43

13. Kasvajarakud kontrollivad stroomat
Heterotüüpse signalisatsiooni faktorid
Sarnaselt normaalse epiteeliga kontrollivad ka kartsinoomi rakud ümbritsevaid
normaalseid 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

14. Heterotüüpsed interaktsioonid mängivad rolli vähi
tekkel ja arengus
Krooniliste põletike korral toimivad strooma rakud nagu makrofaagid, neutrofiilid ja
lümfotsüüdid vähi teket soodustava faktorina kuna loovad pro-inflammatoorse keskkonna
(sekreteerivad TNF- ja prostaglandiine).
Kartsinoomi rakud sekreteerivad PDGF-i, mille retseptorid on ekspresseeritud strooma
rakkudel - fibroblastid, müofibroblastid ja makrofaagid. Strooma rakud sekreteerivad
vastusena 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/CXCL12
kemokiinist ja HGF/SF-st.
·
α
·
·
·
14/43

15. 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 erinevad
reaalsetest kasvajatest
Pilt: Williams et al., 2013.
Patient-derived xenograft (PDX) models of
colorectal cancer recapitulate primary
tumor heterogeneity.
Hematoxylin and eosin (H&E) stained
slides of xenografts generated by
traditional HT-29 (A) or SW480 (B)
colorectal cancer cell lines, vs a primary
colorectal tumor, SCRX-PDX-CR101-p0 (C),
and the same patient’s PDX tumor
following passaging through NOD/SCID
mice, SCRX-PDX-CR101-p1 (D).
·
·
15/43

16. Vähk on kui haav mis ei parane
Harold Dvorak avaldas 1986. aastal oma
tähelepanekud, et vähikolle meenutab
mitmes mõttes haava mis ei suuda
paraneda artiklis "Tumors: Wounds That Do
Not Heal" HF Dvorak, 1986.
Haava paranemisel eristatakse
põletikuline faas, proliferatiivne faas ja
küpsemisfaas.
·
·
Pilt: cell.com
16/43

17. Haava paranemine
Stages of wound healing. Wound healing is classically divided into four stages: (A) hemostasis, (B) inflammation, (C) proliferation, and (D) remodeling. Each stage
is 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 the
wounding 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 in
skin grafting and treatment of cutaneous wounds
17/43

18. Geeniekspressioon näitab haava broblastide ja vähi
sarnasust
Pilt: Gene Expression Signature of Fibroblast Serum Response Predicts Human Cancer Progression: Similarities between Tumors and Wounds Chang et al.,
2004.
18/43

19. Vähk kui haav
Fibriin tuumoris
Haavas vabanev koefaktor (tissue factor)
käivitab vere koagulatsioonikaskaadi mille
tulemusena vere plasma fibrinogeen
konverteeritakse trombiini vahendusel
fibriiniks ning moodustub haava sulgev
klomp.
Fibriin (pruun värvus) naha stroormas
ümber rinnavähi naha metastaasi.
·
·
Pilt: Colpaert et al., 2003.
19/43

20. Haavas indutseeritakse epiteelirakkudel EMT
Haava paranemise põletikulises faasis fibriinklompi põhjustavad vereliistakud ja seejärel
klompi migreeruvad makrofaagid sekreteerivad TGF- ja TGF- kasvu faktoreid.
TGF- põhjustab haava kõrval olevate epiteelirakkude epiteliaal-mesenhümaalse
transformatsiooni (EMT).
Sellised EMT läbinud epiteelirakud muutuvad müofibroblastideks, migreeruvad fibriinklombi
alla ja katavad dermise. Müofibroblastides ekspresseeritav silelihas aktiin põhjustab haava
kokku tõmbamise.
·
β α
· β
·
Pilt: http://bme240.eng.uci.edu.
20/43

21. Epiteliaal-mesenhümaalne transformatsioon (EMT)
EMT on protsess mille käigus epiteelirakud kaotavad polaarsuse,
rakkudevahelised adhesioonid, omandavad amööbse liikumise ja invasiivse
võime
Vähi metastaaside teke on seotud EMT-ga: kartsinoomi rakud kaotavad E-kadheriini
ekspressiooni, murravad läbi basaalmembraani, sisenevad vereringesse, moodustavad
distaalseid 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 hiire
fibroblaste senesentsi eest.
·
·
·
21/43

22. Epiteliaal-mesenhümaalne transformatsioon
Pilt: TGF-beta-induced epithelial to mesenchymal transition Xu et al., 2009
22/43

23. 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 korral
diferentseeruvad fibroblastid
müofibroblastideks(=CAF).
CAF-id võivad olla erinevat päritolu ja
diferentseeruda ka
·
·
epiteelist,
endoteelist (endothelial-to-
mesenchymal transition),
silelihasrakkudest,
mesenhümaalsetest tüvirakkudest.
-
-
-
-
23/43

24. Kasvaja broblastid
Indutseerivad ja soosivad tuumori kasvu, angiogeneesi, põletikku ning
metastaase
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 p15
geen CDKN2B.
TGF- indutseerib epiteliaal-mesenhümaalset transformatsiooni (EMT).
·
β
· β β
Kolorektaalvähis on TGF- ekspressioon nihkunud epiteeli rakkudelt strooma rakkudele
ja CAF-idele.
Epiteelirakud ekspresseerivad märksa vähem p-SMAD2/3 võrreldes strooma rakkudega
või pre-maliigses koes olevate epiteelirakkudega.
- β
-
· β
24/43

25. 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

26. Kasvaja makrofaagid
Pilt: Breast tumor-associated macrophages (TAMs).
26/43

27. Kasvaja makrofaagid
Koe makrofaagid on müeloidse liini rakud mis diferentseeruvad
tsirkuleerivatest monotsüütidest
Makrofaagid osalevad rakulises immuunvastuses, immuunsüsteemi regulatsioonis ja haava
paranemises.
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 või
TGF-β ja prostaglandiin E2 diferentseeruvad makrofaagid immuunosupressiivseteks
jasarnaselt Th2 rakkudele hakkavad Th1-supresseerivaid tsütokiine tootma (IL-10 ja IL1
).
- γ
-
β
27/43

28. Makrofaagide polarisatsioon
Vähis polariseeruvad makrofaagid immuunsupressiivses M2 suunas
Pilt: Quatromoni & Eruslanov, 2012.
28/43

29. Makrofaagide funktsioonid vähi mikrokeskkonnas
Pilt: Coffelt et al., 2009.
29/43

30. Hüpoksia
Veresooned varustavad kudesid hapniku ja toitainetega
Pilt:hüpoksiline piirkond (roheline) roti ajukasvajas. Punane värv, veresooned. www.hypoxyprobe.com
30/43

31. Kasvaja angiogeneesi paradigma
Tahked kasvajad ei saa areneda üle 1 mm suuruse ilma angiogeneesi
initsieerimata
Pilt: Veresoone poolt ülalpeetavatest vähirakkudest moodustub ring ümber soone. Väljaspool seda ringi on vähirakud suremas/surnud. Dunning roti
eesnäärme kartsinoomi ksenograft. Lynn Hlatky, Philip Hahnfeldt, Judah Folkman, 2002.
31/43

32. Vähi veresooned
Kasvaja veresooned on heterogeense luumeniga, lekkivad ja ebakorrapärased·
Pilt: Fukumura et al., 2010.
32/43

33. Angiogenic switch
Angiogeneesi käivitumine sõltub pro-ja
anti-angiogeneetiliste faktorite
tasakaalust.
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

34. Veresoonte arv seostub halvema elulemusega
rinnavähis
Pilt: Uzzan et al., 2004.
34/43

35. VEGF ekspressioon vähis on seotud elulemusega
Pilt: Konecny et al., 2004.
35/43

36. Vähi versoonte klassi katsioon
SOONE 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

37. Vähis on vähemalt kuus eri tüüpi sooni
Pilt: Nagy et al., 2010.
37/43

38. Rakuväline maatriks (ECM)
vähile on iseloomulik dereguleeritud ECM-i dünaamika: MMP-d, plasmin on tugevalt üle
ekspresseeritud
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

39. ECM-i arhitektuur on kasvajates oluliselt erinev
normaalsest stroomast
kollageen-I: normaalselt mitte-orienteeritud fibrillide asemel on kollageen rinnakasvajates
selgelt 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

40. Veresooned kasvavad piki FN maatriksit
40/43

41. T lümfotsüüdid
Kasvajasse infiltreeruvad erinevad T-raku populatsioonid
T rakud lokaliseeruvad·
kasvaja välispiirile,
lähimasse lümfisõlme
kasvaja stroomasse - tsütotoksilised T-
rakud.
-
-
-
CD3 positiivsed T-rakud soolevähi
maksametastaaside piiril.
·
Pilt: Localization and Density of Immune Cells in the Invasive Margin of Human Colorectal Cancer Liver Metastases.
41/43

42. Lingid teistele loengutele

43. Sissejuhatav loeng
Vähitüübid
Onkoviirused
Onkogeenid
Retseptorid
Signaalirajad
Tuumorsupressorgeenid
Rakutsüklikontroll
·
·
·
·
·
·
·
·
p53 ja apoptoos
Immortalisatsioon
Tumorigenees
Genoomiterviklikkus
Mikrokeskkond
Metastaasid
Immuunsus
Vähiravimid
·
·
·
·
·
·
·
·
43/43