Pahanlaatuinen fenotyyppi

Kasvaimen mikroympäristö

Kasvainsolujen ohella useimmat kiinteät kasvaimet koostuvat myös erilaisista ei-pahanlaatuisista stroomasoluista. Nämä solut osallistuvat ainutlaatuisen mikroympäristön luomiseen ja vaikuttavat kasvaimen sairaalloiseen käyttäytymiseen. Esimerkkinä tästä ovat kasvaimen verisuonien endoteelisolut. Fibroblastit (ja niiden tuottama runsaasti kollageenia sisältävä solunulkoinen matriksi) ovat usein hyvin tärkeä kasvainten osa. Esimerkiksi rintasyövässä kasvainsolut ovat usein pieninä solusaarekkeina kapseloituneina runsaassa kollageenistroomassa «»1B. Aktivoidut kasvainfibroblastit eivät ole vain passiivisina sivustakatsojina kasvainprosessissa, vaan ne voivat myös osallistua siihen aktiivisesti yhteistyössä kasvainsolujen kanssa «Cunha GR, Hayward SW, Wang YZ. Role of stroma in carcinogenesis of the prostate. Differentiation 2002: 70: 473-85. »3 «Mueller MM, Fusenig NE. Friends or foes - bipolar effects of the tumour stroma in cancer. Nat Rev Cancer 2004; 4: 839-49. »4.

Toinen tärkeä mikroympäristön osanen ovat tulehdussolut. Monet syövän muodot kehittyvät kroonisesta ärsytyksestä ja tulehduksesta kehittyneiden infektiopesäkkeiden yhteyteen «Coussens LM, Werb Z. Inflammation and cancer. Nature 2002; 420: 860-7. »5. Tulehdussolujen kroonisen infiltroitumisen aste kasvainkudoksessa vaihtelee sekä erilaisten kasvaintyyppien välillä että eri potilailla. Usein nähdään kuitenkin selvästi ilmenevä T-lymfosyyttien ja makrofagien infiltraatio «»1A. Tulehdussolut ja niiden kemokiinit ja sytokiinit säätelevät kasvaimen mikroympäristössä kaikkien solutyyppien (mukaan lukien kasvainsolut, fibro-blastit ja endoteelisolut), kasvua, vaeltamista ja erilaistumista ja saavat aikaan myös muutoksia solunulkoisessa matriksissa.

Kasvaimeen liittyvät makrofagit (TAM)

Makrofagit vapautuvat luuytimestä epäkypsinä monosyytteinä. Ne kiertävät veressä ennen kuin siirtyvät kudoksiin, joissa ne kehittyvät makrofageiksi. Paikallisesta mikroympäristöstä riippuen makrofagit kehittävät erilaisia fenotyyppejä. Makrofageilla on monia tehtäviä, jotka ovat tarpeellisia kudosten kehittymisessä, tulehdusprosessissa ja immuunivasteessa. Kasvaimeen liittyvät makrofagit (tumor associated macrophages, TAM) ovat kiinnostavia sekä kasvaimia aiheuttavan vaikutuksensa vuoksi «»2 että antigeenin esittelevinä soluina kasvainsoluihin kohdistuvassa sytotoksisessa immuunivasteessa. Useimpien tutkimusten mukaan suuri määrä TAM-soluja potilaan kasvainbiopsiassa liittyy huonoon ennusteeseen «Bingle L, Brown NJ, Lewis CE. The role of tumour-associated macrophages in tumour progression: implications for new anticancer therapies. J Pathol 2002; 196: 254-65. »6 «Chen JJ, Lin YC, Yao PL, Yuan A, Chen HY, Shun C T, et al. Tumor-associated macrophages: the double-edged sword in cancer progression. J Clin Oncol 2005; 23: 953-64. »7. Tämä osoittaa, että makrofagien kasvaimia aiheuttava funktio on monissa syöpämuodoissa hallitsevampi kuin niiden rooli immuunipuolustusta stimuloivina soluina.

Teoria on viime aikoina saanut tukea: jos makrofagien pääsy kasvaimeen estetään, voi tämä vuorostaan estää rintasyövän kasvua «Aharinejad S, Paulus P, Sioud M, Hofmann M, Zins K, Schafer R, et al. Colony-stimulating factor-1 blockade by antisense oligonucleotides and small interfering RNAs suppresses growth of human mammary t»8. Tutkimus osoitti myös, että yhteistyö kasvainsolujen ja makrofagien välillä helpottaa kasvainsolujen migraatiota ja leviämistä «Chen JJ, Lin YC, Yao PL, Yuan A, Chen HY, Shun C T, et al. Tumor-associated macrophages: the double-edged sword in cancer progression. J Clin Oncol 2005; 23: 953-64. »7 «Wyckoff J, Wang W, Lin EY, Wang Y, Pixley F, Stanley ER, et al. A paracrine loop between tumor cells and macrophages is required for tumor cell migration in mammary tumors. Cancer Res 2004; 64: 7022-9»9.

Makrofagit kerääntyvät kiinteiden kasvainten niukkahappisille alueille «Murdoch C, Giannoudis A, Lewis CE. Mechanisms regulating the recruitment of macrophages into hypoxic areas of tumors and other ischemic tissues. Blood 2004; 104: 2224-34. »10 samalla tavalla kuin muissakin sairauksissa, kuten ateroskleroosiplakeissa tai nivelartroosissa. Niukkahappisilla alueilla TAM-solut vastaavat monista toiminnoista, jotka lisäävät kasvaimen kasvua, leviämistä ja metastasoitumista. TAM-solujen kasvutekijät ja kemokiinit lähettävät kasvua ja henkiinjäämistä stimuloivia signaaleja kasvainsoluille. TAM-soluista erittyvät proteaasit edistävät kasvaimen tunkeutumista kudoksiin rikkomalla tyvikalvon ja muuntamalla stroomamatriksia. Solunulkoisten rakenneosien hajottaminen ja muuntaminen on ratkaisevaa kasvainsolujen migraatiolle ympäristöön.

TAM-solut stimuloivat verisuonten uudismuodostusta kolmella tavalla: 1) ne erittävät tärkeitä angiogeneesiä edistäviä tekijöitä, kuten VEGF (vascular endothelial growth factor) ja angiopoetiineja, 2) tuotetut proteaasit eivät ole tarpeellisia ainoastaan kasvainsolujen migraatiolle, vaan myös endoteelisolujen siirtymiselle kasvainkudoksen sisään, sekä 3) TAM-solut rekrytoivat sytokiineja tuottamalla myös muita hematopoeettisia soluja, kuten syöttösoluja ja neutrofiileja. Makrofagit voivat myös edistää kasvaimen syntymistä ja kasvua tuottamalla mutageenejä reaktiivisten happi- ja typpiradikaalien tuotantonsa sivutuotteina.

Angiogeneesi

Jotta kiinteät kasvaimet voisivat kasvaa, niillä täytyy olla yhteys verisuoniin saadakseen tarpeellisen hapen ja ravintoaineet ja voidakseen poistaa kuona-aineet. Useimmilla kasvaimilla yhteys verisuoniin riippuu siitä, pystyvätkö ne kasvattamaan oman verisuoniston angiogeneesin kautta eli kasvattamalla haaroja olemassa olevaan verisuonistoon «Folkman J. Tumor angiogenesis: therapeutic implications. N Engl J Med 1971; 285: 1182-6. »11 «Bergers G, Benjamin LE. Tumorgenesis and the angiogenic switch. Nat Rev Cancer 2003; 3: 401-10. »12. Tähän sääntöön on kuitenkin olemassa joitakin tärkeitä poikkeuksia: astrosytoomat, aivokasvaimet, joiden maligniteetti on vähäinen, voivat kasvaa olemassa olevaa verisuonistoa pitkin aivoihin «Holash J, Maisonpierre P C, Compton D, Boland P, Alexander CR, Zagzag D, et al. Vessel cooption, regression, and growth in tumors mediated by angiopoietins and VEGF. Science 1999; 284: 1994-8. »13. Pienellä osalla pienisoluisia keuhkokarsinoomia on selvä alveolaarinen, vaskulaarinen malli ilman angiogeneesin merkkejä, mikä todennäköisesti merkitsee, että kasvain käyttää olemassa olevaa verisuonistoa «Offersen BV, Pfeiffer P, Hamilton-Dutoit S, Overgaard J. Patterns of angiogenesis in nonsmall-cell lung carcinoma. Cancer 2001; 91: 1500-9. »14. On mahdollista, että sellaisten potilaiden ennuste on parempi, joilla on ei-angiogeeninen kasvain, kuin sellaisten, joilla on angiogeeninen kasvain. Tämä koskee sekä aivokasvainta että ei-pienisoluista keuhkosyöpää (NSCLC).

Normaalikudoksessa on hiuksenhieno tasapaino angiogeneesiä edistävien ja sitä vastustavien tekijöiden välillä «»3. Tietyssä vaiheessa kasvaimen kehitystä angiogeneesiä aiheuttavat tekijät pääsevät vallalle. Se johtaa uusien suonien kehittymiseen jo olemassa olevista. Monissa kasvaimissa tämä tapahtuu aikaisessa vaiheessa. (Angiogeneesiä todetaan jopa carcinoma in situ -vaiheessa, jossa kasvain ei ole levinnyt «Hanahan D, Folkman J. Patterns and emerging mechanisms of the angiogenic switch during tumorigenesis. [Review]. Cell 1996; 86: 353-64. »15. Angiogeneesin stimulaattoreita tuottavat sekä kasvainsolut että stroomasolut. Tehokkain on VEGF-ryhmä, joka on merkityksellinen sekä fysiologiselle että patologiselle angiogeneesille «Cross MJ, Dixelius J, Matsumoto T, Claesson-Welsh L. VEGF-receptor signal transduction. Trends Biochem Sci 2003; 28: 488-94. »16 «Lund EL, Thorsen C, Pedersen MW, Junker N, Kristjansen PE. Relationship between vessel density and expression of vascular endothelial growth factor and basic fibroblast growth factor in small cell lun»17. VEGF lisääntyy usein syövän yhteydessä. Lisääntyminen voi tapahtua onkogeenin viestinnän tai hapenpuutteen seurauksena tai kun VEGF:ää tuottavia tulehdussoluja kertyy kasvaimeen.

Kasvainangiogeneesi eroaa merkittävästi normaalista angiogeneesistä. Normaali fysiologinen angiogeneesi on tiukasti säädelty prosessi, johon kuuluu eri angiogeenisten tekijöiden, proteaasien ym. välinen monimutkainen yhteistoiminta, monien angio-geenisten tekijöiden yhdistelmien yhteisvaikutus sekä muiden vuorovaikutusten antagonistisia vaikutuksia «Ley C, Olsen MB, Lund EL, Kristjansen PE. Angiogenic synergy of bFGF and VEGF is antagonized by angiopoietin-2 in a modified in vivo matrigel assay. Micro-vasc Res 2004; 68: 161-8. »18. Kasvaimessa angiogeneesiä häiritsevät useat eri tekijät, jotka aiheuttavat tai estävät angiogeneesiä, ja kasvainsuonet kehittyvät rakenteellisesti ja toiminnallisesti poikkeaviksi. Alveolien, kapillaarien ja pienten laskimoiden rakenne on tyypillinen, ja verisuonista tulee mutkittelevia, laajentuneita tai jopa labyrintinomaisia, ja niiden umpinaisiin päihin tulee laajentumia. Myös poikkeavia haarautumia voi syntyä «»4. Myös VEGF on tekijä, joka ohjaa endoteelisolujen läpäisevyyttä, ja kasvainsuonet ovat usein hyvin läpäiseviä. Normaalin kudoksen angiogeneesissä uudet suonet kypsyvät nopeasti ja tulevat stabiileiksi. Kasvaimissa suuri osa uusista suonista on epäkypsiä ja niistä puuttuu normaali solujen pintakerros, perisyyttikerros. Epäkypsät suonet ovat riippuvaisia jatkuvasta kasvutekijöiden stimuloinnista, jotta ne eivät surkastuisi. Ehkä siksi angiogeneesiä ehkäisevä hoito ei aina johda ainoastaan uudisverisuonituksen vähenemiseen, vaan joskus myös kasvaimien verisuoniston surkastumiseen «Wille CG, Boucher Y, di Tomaso E, Duda DG, Munn L L, Tong RT, et al. Direct evidence that the VEGF-specific antibody bevacizumab has antivascular effects in human rectal cancer. Nature Med 2004; 10: 1»19.

Eri syöpämuotojen perimästä riippumattomat (epigeneettiset) ominaisuudet

Kasvainten verisuoniston epäsäännöllisen muodon vuoksi kiinteissä kasvaimissa hallitsevia ovat alueet, joilla on suhteellisen vähäinen tai olematon verenkierto. Erityisesti suurissa kasvaimissa on keskiosan kudosten kuoleminen, eli nekroosi, tavallista. Sen katsotaan yleensä johtuvan vaskulaarisen ja neoplastisen solukasvun välisen koordinoinnin puutteesta. Tämä puute johtaa krooniseen hapenpuutteeseen ja kasvavan kasvaimen puutteellisesti verisuonitettujen keskiosien ravinnon puutteeseen. Vastaavasti mikroskooppisesti on syöpäkudoksessa usein pieniä nekroosipesäkkeitä. Nyt jo klassisen angio-geneesin esivaiheita koskevan teorian (Thomlinson-Gray) mukaan tämä on seurausta siitä, että kapillaarien välimatka on yli kaksinkertainen molekulaarisen hapen diffuusiovälimatkaan verrattuna «Thomlinson RH, Gary LH. The histological structure of some human lung cancers and the possible implications for radiotherapy. Rr J cancer 1955; 9: 539-49. »20. Kasvainten hapenpuutteen molekulaariset ja fysiologiset prosessit yhdistävien uusien havaintojen perusteella tämän ominaisuuden arvioidaan olevan pahanlaatuisen fenotyypin tärkeä säätelijä.

Solujen välinen nestepaine (IFP)

Kiinteiden kasvainten verisuonituksen jakautumisen erityisvaikutus on myös paineen nousu niin kutsutussa inter-stitiaalisessa nesteessä, solujen välisessä elimistön nesteestä. Soluvälitilan hydrostaattista painetta kutsutaan IFP:ksi (Interstitial Fluid Pressure). Normaaleissa kudoksissa paine on tavallisesti -1-2 mmHg. Kasvaimissa on rekisteröity noin 20 mmHg:n suuruisia arvoja (joskus jopa 40-60 mmHg) sekä potilailla että koe-eläimillä «Young JS, Lumsden CE, Stalker AL. The significance of the tissue pressure of normal testicular and of neoplastic (Brown-Pearce Carcinoma) tissue in the rabbit. J Pathol Bacteriol 1950; 62: 313-33. »21 « Jain RK. The next frontier of molecular medicine: Delivery of therapeutics. Nature Med 1988; 4: 655-7. »22 «Heldin CH, Rubin K, Pietras K, Ostman A. High interstitial fluid pressure - an obstacle in cancer therapy. Nat Rev Cancer 2004; 4: 806-13. »23. Painetasapainon poikkeamat hydrostaattisten ja turvotukseen liittyvien (onkoottisten) painegradienttien ja lymfakierron välillä «»5 edesauttavat IFP:n lisääntymistä koko kasvaimessa «Boucher Y, Baxter LT, Jain RK. Interstitial pressure-gradients in tissue-isolated and subcutaneous tumors - Implications for therapy. Cancer Res 1990; 50: 4478-84. »24.

Kiinteissä kasvaimissa ulospäin suuntautunut hydrostaattinen painegradientti on herkkä perfuusiopaineen muutoksille ja kasvaa suhteessa geometrisen virtauksen vastuksen lisääntymiseen. Läpäisevät verisuonet aiheuttavat sen, että makromolekyylit voivat helpommin tunkeutua soluvälitilaan kiinteissä kasvaimissa, mikä johtaa onkoottisen gradientin pienenemiseen. Toimimaton lymfakierto kasvaimessa ei onnistu tasoittamaan nesteen nettoylijäämää verisuonten välillä, ja siksi painetaso pysyy korkeana. Lopulta soluvälitilan fibroosi ja solunulkoisen matriksin epänormaali surkastuminen aktivoituneiden strooman myofibroblastien vaikutuksesta voivat vielä aktiivisesti nostaa epänormaalin korkeaa IFP:tä «Kristjansen PE. Pathophysiology of human tumor xenografts. Aspects of metabolism, physiology, and pharmacokinetics in heterotransplanted human lung and colon tumors. Dan Med Bull 1997; 44: 380-95. »25 «Aukland K, Reed RK. Interstitial-lymphatic mechanisms in the control of extracellular fluid volume. Physiol Rev 1993; 73: 1-78. »26. Kiinteiden kasvaimien kohonnut IFP vähentää olennaisesti suurimolekyylisten aineiden «Jain RK. Delivery of molecular and cellular medicine to solid tumors. Adv Drug Deliv Rev 2001; 46: 149-68. »27 ja tietyssä määrin myös pienimolekyylisten yhdisteiden, kuten paklitakselin ja 5-fluorasiilin imeytymistä «Heldin CH, Rubin K, Pietras K, Ostman A. High interstitial fluid pressure - an obstacle in cancer therapy. Nat Rev Cancer 2004; 4: 806-13. »23. Viimeksi mainittu on paradoksaalista, koska IFP vaikuttaa pääasiassa ainehiukkasten mukaiseen kulkeutumiseen (konvektiokuljetukseen) pitkin painegradienttia. Tämä kuljetuksen muoto on makromolekyylien ja suurien partikkelien siirtämisen päämekanismi, kun taas pienet molekyylit leviävät diffuusiolla ja ovat siksi melko riippumattomia IFP:stä. Kohonnut IFP on siis kasvaimen tärkein fysiologinen puolustusmekanismi, eli muuten tehokkaiden terapeuttisten aineiden selektiivisesti vähentynyt imeytyminen vähentää niiden tehoa. Tämä on tärkeä puolustusmekanismi, joka poikkeaa selkeästi lääkeaineresistenssin solumekanismeista, jotka liittyvät klonaaliseen valintapaineeseen, solukalvon erityisten pumppujen käynnistymiseen tai kohteen sopeuttavaan muokkaamiseen.

Kasvainten hypoksia

Kasvaimissa esiintyy kahdenlaista vähähappisuutta, hypoksiaa: akuuttia heikosta perfuusiosta johtuvaa hypoksiaa ja kroonista heikosta diffuusiosta johtuvaa hypoksiaa. Akuutti niukkahappisuus johtuu huonosta verenkierrosta, jonka syynä ovat mikroveritulppien tai epätarkoituksenmukaisten ahtaumien aiheuttamat verisuonten tukkeumat. Krooninen vähähappisuus on yleensä normaalin kudosten hapetuksen ja kudoskuoleman välillä; hapen ja ravintoaineiden saanti riittää juuri pitämään solut elossa, mutta ei mahdollista kasvua ja muita monimutkaisia toimintoja. Solut, joiden vähähappisuus on kroonista, muodostavat hoidollisen ongelman. Ne ovat melko resistenttejä sädehoidolle ja vähemmän herkkiä kasvaviin soluihin suunnatuille aineille. Vähähappiset alueet ovat turvapaikka nk. klonogeenisille soluille. Nämä solut siirtyvät sinne, kun enemmän happea sisältävät kasvainsolut ovat poistuneet. Kiinteiden kasvainten vahingollinen mikroympäristö houkuttelee kestävämpiä solufenotyyppejä, joilla on vähemmän ravintoon liittyviä vaatimuksia ja jotka ovat vähemmän haavoittuvia solunulkoisen pH:n ja hapen osapaineen muutoksille «»6.

Viime vuosikymmenen aikana tehdyt merkittävät havainnot osoittavat, että kasvainten vähähappisuus voi olla merkittävä tekijä pahanlaatuisen fenotyypin muuntelussa sen ohjatessa hypoksiainduktiofaktori 1:tä (HIF1), joka on useimpien pahanlaatuisuuden leviämiseen ja säilymiseen liittyvien geenien pääsäätelijä «Vogelstein B, Kinzler, KW. Cancer genes and the pathways they control. Nat Med 2004; 10: 789-99. »2 «Semenza GL. Targeting HIF-1 for cancer therapy. Nat Rev Cancer 2003; 3: 721-32. »28.

HIF1 on nisäkkäiden solujen transkriptiotekijä. Sen pääfunktio on auttaa soluja selviytymään pienemmissä happipitoisuuksissa ja tietyssä määrin myös glukoosin vajauksessa. HIF1 koostuu kahdesta alayksiköstä, yhdestä a-yksiköstä ja yhdestä ß-yksiköstä. HIF1- a:aa syntyy jatkuvasti ja se hajoaa välittömästi solulimassa niin kauan kuin se saa riittävästi happea ja VHL:aa (Von Hippel Lindau -proteiini - klassinen tuumorisuppressorigeenituote). Hapen puutteessa tai kun VHL on tehoton esimerkiksi mutaation vuoksi, HIF1-a tunkeutuu tumaan ja yhdistyy HIF1-ß:n kanssa, joka on tumaproteiinin perusilmentymä. Yhdistynyt HIF1 aiheuttaa sen, että solu ilmentää niin suurta määrää eri geenejä kuin on tarpeen solun selviämiselle vakavien rasitusvaiheiden aikana mikroympäristössä «»7. HIF1 säätelee angiogeneesiä, glykolyysiä ja vasodilataatiota (verisuonien laajenemista) sekä monia muita prosesseja ja tekijöitä, kuten erytropoetiinia ja erilaisia sytokiineja. Aivan äskettäin on osoitettu, että HIF1 on keskeinen kaikille tunnetuille viestinvälitysreiteille maligniteetissa, mukaan lukien apoptoosin sääntely ja suppressorigeeni p53. Monissa uusissa kehitteillä olevissa hoitomenetelmissä on ollut molekulaarisena kohteena HIF1 ja muut hypoksiasta riippuvat transkriptiotekijät. Myös tietyt käytössä olevat syöpälääkkeet vaikuttavat suoraan HIF1-viestinvälitysreittiin, kuten topotekaani, jonka kasvaimen vastainen vaikutus lisääntyy tilapäisen hypoksian myötä, todennäköisimmin HIF1:tä ehkäisevän vaikutuksen kautta (29, 30).

Vakuuttavia todisteita niukkahappisuuden merkityksestä fenotyypin pahanlaatuisuuden pääsäätelijänä on saatu mm. koe-eläinkokeista. Akuuteille hypoksiaolosuhteille altistetuille hiirille, joihin oli istutettu ihmisen kohdunkaulan karsinoomasolukkoa, kehittyi runsaammin imusuonimetastaaseja kuin kontrollihiirille, joita ei altistettu hapenpuutteelle.

Fakta:

The malignant phenotype

Much has happened in the field of cancer research and treatment over the last decades, and the knowledge of cancer biology has increased tremendously. Today it is fair to say that cancer is no longer enigmatic, but it is still incredibly complicated.

This review presents an update on the current knowledge of the molecular background of cancer and highlights new information about common characteristics of the malignant phenotype. The local tumour microenvironment including blood vessels plays an active role in the development and progression of cancer, by recently discovered mechanisms involving inflammatory cells as well as hypoxia and the interstitial fluid pressure.