Bisfosfonaattien ja pienten peptidien vaikutus syövän matriksin metalloproteaaseihin
Väitöstilaisuudessa 10.6.2005 Helsingin yliopiston Hammaslääketieteen laitoksella tarkastettiin HLL Piia Heikkilän väitöskirja "Effect of bisphosphonates and small cyclic peptides on matrix metalloproteinases and human cancer cells". Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimi dosentti Ilmo Leivo ja kustoksena professori Timo Sorsa.
Työn ovat ohjanneet professori Timo Sorsa Helsingin yliopistosta, professori Tuula Salo Oulun yliopistosta ja dosentti Olli Teronen Helsingin yliopistosta. Työn esitarkastivat dosentti Ari Ristimäki Helsingin yliopistosta ja dosentti Ylermi Soini Oulun yliopistosta.
Matriksin metalloproteaasit (MMP:t) ovat kudostuhoa aiheuttavia proteolyyttisiä entsyymejä, joita tunnetaan tällä hetkellä 23. MMP:t pystyvät tuhoamaan melkein kaikkia soluvälitilan ja epiteelisolukerroksen sidekudoksesta erottavan tyvikalvon komponentteja. MMP:t edesauttavat täten syöpäsolujen liikkumista ja vaeltelua eri kudosten läpi myös verisuoniin, josta ne pääsevät leviämään muualle kudoksiin muodostaen etäpesäkkeen. MMP:ien tiedetään vaikuttavan myös syövän kasvua estäviin/edistäviin molekyyleihin soluvälitilassa. Tämä vaikutus voi olla isännälle suotuisa: jotkut MMP:t edesauttavat isännän puolustusvastetta syöpää vastaan. Jotkut taas kiihdyttävät syövän kasvutekijöitä. Lisäksi eri syövät ilmentävät ympäristössään eri MMP:ja. Useissa kliinisissä syövän hoidoissa MMP-estäjälääkeaineet (MMPI:t) ovat olleet tehottomia. Syynä on ilmeisesti ollut tietämättömyys siitä, mitä MMP:a syöpäkasvain tuottaa ja vaikuttaako juuri käytössä oleva MMPI syöpäkasvaimen tuottamiin MMP:eihin. Lisäksi käytössä olleilla lääkeaineilla on estäjävaikutus useihin MMP:eihin, jolloin ne saattavat estää sellaisia MMP:ja, joilla on "suojeleva" vaikutus isännälle mm. edistämällä puolustusmekanismien toimintaa syöpää vastaan.
Bisfosfonaatit ovat vanha tunnettu luusairauksissa käytössä oleva lääkeaine, jonka on havaittu myös vaikuttavan syövän kasvua estävästi etenkin luusyövässä ja syövissä, jotka kehittävät etäpesäkkeitä luustoon.
Tutkimuksen menetelmät, tulokset ja johtopäätökset
Havaitsimme, että bisfosfonaatit suoraan estävät matriksin metalloproteaasien -1, -2, -3, -8, -9, -12, -13 ja -20 aktivoitumista ja tuotantoa. Bisfosfonaatit estivät myös pahanlaatuisten syöpäsolujen liikkumista kokeellisen tyvikalvon läpi, kuten myös estäen verisuonten endoteelisolujen liikkumista soluviljelmissä.
Kehittämämme pienet peptidit vaikuttivat ainoastaan gelatinaaseihin (MMP-2 ja MMP-9) estämällä niiden toimintaa syöpäkudoksessa in vitro ja in vivo. Gelatinaasit ovat usein koholla ja aktivoituneina pahanlaatuisissa kasvaimissa. Peptidit estivät useiden syöpäkasvainten liikkumista syöpäsoluviljelmissä sekä gelatinaasien aktiivisuutta laboratoriokokeissa. Hiirimalleissa syöpäkasvaimen kasvu ja leviäminen hidastuivat ja eloonjäämisaika pitkittyi.
Nykyinen laajempi tietämys MMP:ien toiminnasta syövän kasvua edistävinä ja/tai estävinä tekijöinä auttaisi mm. kohdentamaan bisfosfonaatteja/peptidejä mahdollisina syöpälääkkeinä sellaisiin syöpäkasvaimiin, joissa MMP:ien toiminta tunnetaan. Täten bisfosfonaatit/peptidit saattaisivat olla tulevaisuudessa mahdollinen syöpälääke yhdessä muun hoidon kanssa.
Effect of bisphosphonates and small cyclic peptides on matrix metalloproteinases and human cancer cells
Matrix metalloproteinases (MMPs) are a family of zinc-dependent endoproteinases that are associated with the tumourigenic process. MMPs can degrade almost all extracellular matrix and basement membrane components, promoting tumour invasion and metastasis. They can also regulate and modify host defence and immune mechanisms as well as normal cell function, and therefore excessive blockage or inhibition of all MMPs may not lead to a positive therapeutic outcome. Most clinical trials with MMP inhibitors (MMPIs) have yielded disappointing results, perhaps due to inappropriate study design or tumour staging, or to the lack of selectivity. Nonspecific or broad-spectrum MMPIs seemingly affect several members of the MMP family causing side effects during antitumour therapy because of disruption of numerous physiological or defensive processes.
Bisphosphonates were shown to be broad-spectrum inhibitors of MMPs inhibiting MMP-1, -2, -3, -8,-9, -12, -13 and -20 and this inhibition was found to involve cation chelation. Bisphosphonates were further shown to exert anti-metastatic, anti-invasive and cell adhesion-promoting properties, which may eventually prevent metastases not only in hard tissues but in soft tissues as well in a dose-dependent manner. Clodronate, at therapeutically attainable concentrations, dose-dependently inhibited directly the activity of catalytic domain of human recombinant MT1-MMP, reduced the activation of proMMP-2 and downregulated the expression of MT1-MMP mRNA and protein production in MG-63 human osteosarcoma cells.
Two novel decapeptides, CTT1 and CTT2, were generated and characterized to target selectively and specifically gelatinases (MMP-2 and -9), inhibiting their gelatinase activities in several human carcinoma cell lines and in endothelial cells both in vitro and in vivo. Furthermore, CTT1 and CTT2 reduced tumour growth and increased survival in a mouse model. It is therefore to be hoped that these novel gelatinase-specific MMPIs will in the future open up a new era in the medical treatment of cancer. The pivotal role of MMPs in pathological conditions demonstrates that the MMPIs are still attractive for drug development.
Osajulkaisut
I Heikkilä P, Teronen O, Konttinen YT, Hanemaaijer R, Salo T, Moilanen M, Laitinen M, Saari H, Maisi P, Bartlett J, Sorsa T. Bisphosphonates inhibit stromelysin-1 (MMP-3), matrix metalloelastase (MMP-12), collagenase-3 (MMP-13), and enamelysin (MMP-20) but not urokinase-type plasminogen activator (uPA) and diminish invasion and migration of human malignant and endothelial cell lines. Anticancer Drugs 2002; 13: 245-254.
II Heikkilä P, Teronen O, Hirn M, Sorsa T, Tervahartiala T, Salo T, Konttinen YT, Halttunen T, Moilanen M, Hanemaaijer R, Laitinen M. Inhibition of matrix metalloproteinase-14 in osteosarcoma cells by clodronate. J Surg Res 2003; 111: 45-52.
III Koivunen E, Arap W, Valtanen H, Rainisalo A, Medina OP, Heikkilä P, Kantor C, Gahmberg CG, Salo T, Konttinen YT, Sorsa T, Ruoslahti E, Pasqualini R. Tumour targeting with a selective gelatinase inhibitor. Nat Biotechnol 1999; 17: 768-774.
IV Heikkilä P, Suojanen J, Pirilä E, Väänänen A, Koivunen E, Sorsa T, Salo T. Human tongue carcinoma growth is inhibited by selective antigelatinolytic peptides. Int J cancer 2005, in press.
Kiitokset
Kiitän lämpimästi Suomen Hammaslääkäriseura Apolloniaa, Suomen Naishammaslääkärit ry:tä ja Helsingin yliopistoa saamastani taloudellisesta tuesta tutkimukselle.
piia.heikikila@helsinki.fi