Genotoxicita a karcinogeneze
Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity
prof. RNDr. Jiřina Hofmanová, CSc.

Nádory tlustého střeva (kolonu) a rekta (CRC)

CRC patří mezi nejčastěji se vyskytující nádory v západních industrializovaných zemích a jsou téměř všude na třetím místě v pořadí úmrtí na nádorová onemocnění (obr. 13-1). V posledních 20 letech byla objasněna řada molekulárních mechanizmů vedoucích ke vzniku CRC, avšak prognóza zejména pokročilých stádií CRC se příliš nezlepšila (obr. 13-2). Důvodem je stále vysoké procento pozdě diagnostikovaných onemocnění, přičemž právě včasná diagnóza hraje nejdůležitější úlohu v úspěchu léčby.

CRC  představuje soubor heterogenních onemocnění zahrnujích dědičné i tzv. sporadické formy. Většina nádorů je sporadických, ale vyznačují se velkou heterogenitou a rozdíly s ohledem na patogenezi a prognózu.

Anatomie střeva

Střevní tkáň představuje sebeobnovnou tkáň s unikátní topologií. Jednovrstevná bariéra mezi lumen a vnitřním prostředím tvoří krypty a klky (villi) v tenkém střevě a krypty v kolonu. V dolní části krypt se nacházejí kmenové buňky (příp. Panethovy buňky v tenkém střevě) (obr. 13-3a a 13-3b). Z těch vznikají obnovou a asymetrickýcm dělením další kmenové buňky nebo progenitorové buňky, které postupují k vrcholu krypty, postupně ztrácejí proliferační potenciál a diferencují ve zralé kolonocyty. Staré kolonocyty na vrcholu krypt odumírají  a jsou odlupovány do střevního lumen. Tento proces se nazývá anoikis (detachment-induced apoptosis) (obr. 13-4).

Ve střevě se vyskytuje několik buněčných typů (obr. 13-5):

• Enterocyty jsou nejpočetnější a představují absorbtivní linii.

• Sekreční linie jsou zastoupeny gobletovými buňkami, které sekretují protektivní muciny a jejich počet přibývá směrem ke kolonu a enteroendokrinními buňkami, které tvoří asi 1 % a sekretují hormony (serotonin, sekretin).

• Panethovy buňky jsou zastoupeny pouze v tenkém střevě a sekretují antimikrobiální látky, což zajišťuje kontrolu mikrobiálního obsahu ve střevě.

Ve střevní tkáni je velmi důležitá regulace procesů proliferace, diferenciace a apoptózy pro zachování rovnováhy mezi přírůstkem a úbytkem buněk. To je zajiš´továno zapojením specifických signálních drah (WNT, BMP, NOTCH) (obr. 13-6) a změnami koncentrace příslušných růstových faktorů (obr. 13-7). Poruchy této regulace pak vedou k patologickýcm stavům včetně nádorových onemocnění. Právě molekulární mechanizmy kontrolující homeostázu jsou terčem změn podílejících se na vzniku nádorů.

Vznik nádorů kolonu a rekta

Tyto nádory vznikají progresivní akumulací genetických a epigenetických změn vedoucích k transformaci normálního střevního epitelu do adenokarcinomu (obr. 13-8). K tomu se přidávají účinky dalších faktorů nazývaných modifikátory CRC. Klíčovými faktory jsou celkový životní styl a výživa působící ve všech stádiích karcinogeneze.

Genetické změny jsou provázeny progresí z malých premaligních poškození do pokročilých adenokarcinomů.

Molekulárně genetické poznatky charakterizující CRC

• Mnohastupňová progrese na molekulární i morfologické úrovni
• Genetické (mutační aktivace onkogenů a inaktivace nádorově supresorových genů) a epigenetické změny  (změny metylace DNA a acetylace histonů) podporují tvorbu nádoru poskytujíce klonální růstovou výhodu změněným buňkám.
• Klíčovým molekulárním krokem je ztráta genomové stability
• Dědičné nádorové syndromy často odpovídají formám klíčových genetických defektů u zárodečných linií, jejichž somatický výskyt nastartuje sporadické nádory kolonu.

Ztráta genomové stability je klíčovým molekulárním a patogenetickým krokem vyskytujícím se na počátku nádorového procesu a vytváří permisivní prostředí pro výskyt změn onkogenů a nádorově supresorových genů (obr. 13-9).

Při vývoji CRC se uplatňují tři hlavní typy genetické nestability:

• Nestabilita mikrosatelitů (MSI)
• Nestabilita chromozómů (CIN) – zisk či ztráta úseků chromozómů, aneuploidie
• Chromozomální translokace

Dědičné typy CRC

Existují dědičné poruchy predisponující jedince k nádorům. Hereditární syndromy jsou způsobeny zárodečnými mutacemi ve specifických genech způsobujících zejména nefunkčnost nádorově supresorových genů. Tyto inaktivační mutace jsou v základu recesívní a nemusí se u nositele fenotypově projevit kromě predispozice k nádoru. Incidence nádorů však vykazuje často dominantní typ dědičnosti, protože existuje vysoká pravděpodobnost, že další mutace, ztráta heterozygotnosti nebo umlčení inaktivuje druhou normální alelu.

Existují dva základní typy dědičných syndromů CRC:

• polypózní formy

  (familiární adenomatózní polypóza – FAP) vyskytující se asi v 1 %.
  Představují mutace nádorově supresorového genu APC (adenomatous polyposis coli), následkem kterých se tvoří tisíce adenomatózních polypů ve střevě a následné riziko vzniku nádoru je téměř 100 %.

• nepolypózní formy

  (hereditární nepolypózní kolorektální karcinom – HNPCC, Lynchův syndrom) představují asi 15 %. Jsou charakterizovány mutacemi genů pro MMR enzymy (mismatch DNA repair) a množstvím mutací v repetitivních sekvencích DNA – mikrosatelitech. Zde existuje zvýšené riziko i dalších typů nádorů.

Přesné rozlišení mezi tzv. sporadickými a familiárními a mezi genetickými a environmentálními faktory predisponujícími k CRC není striktní. U sporadických forem nacházíme často mutační inaktivace podobných genů jako u dědičných forem.

Rodinný výskyt „sporadického“ kolorektálního karcinomu představuje kombinaci genetických predispozic se zevními faktory. U takových jedinců je doporučováno pravidelné vyšetření od určitého věku (okultní krev, sigmoidoskopie, kolonoskopie).

Geny uplatňující se v CRC

Při vzniku a rozvoji CRC se uplatňují jak aktivace onkogenů tak inaktivace nádorově supresorových genů či poruchy genů reparace DNA (obr. 13-10). Příklady:

• Onkogeny

  (ras, c-myc, c-myb, hst-1, trk, c-raf, c-src, c- myb, Her2-neu). Geny kódující proteiny H-ras, K-ras, N-ras jsou  aktivované přes receptory spojené s G proteiny a s tyrozin kinázami. Aktivace drah kináz RAF, MEF, MAPK se uplatňuje v přechodu z adenomu do karcinomu. C-myc, c-myb jsou tzv. geny rané odpovědi – transkripční faktory odpovědné za transkripci dalších důležitých genů. Her2-neu kóduje receptor pro epidermální růstový faktor a změny jeho exprese se uplatňují zejména u nádorů prsu.

• Nádorově supresorové geny

  Gen p53 je mutován nebo deletován u 70–80 % nádorů, což je spojeno zejména s poruchami regulace buněčného cyklu, reparace DNA a  apoptózy. Delece či mutace v genu APC je brzký děj u adenomů (80 %) a je spojen s deregulací signální dráhy Wnt, chromozomální nestabilitou, chybami ve spojení mikrotubulů a kinetochoru a abnormální segregací chromozómů se vznikem polyploidie. DCC je gen deletovaný gen u 70–80 % nádorů, a hraje úlohu v zástavě G2/M fáze buněčného cyklu a apoptóze.

• Geny reparace DNA

  Jsou zodpovědné za tzv. „mismatch repair“ (hMSH2, hMLH1).

Existují i další mutace zvyšující náchylnost při působení environmentálních faktorů. Důležitý je proto výzkum interakcí genů a environmentálních faktorů a dalších tzv. modifikujících genů, které mohou dále ovlivňovat účinky jak genů, tak environmentálních faktorů.

Signální dráhy MAPK-ERK zprostředkovávají buněčnou odpověď na řadu mimobuněčných impulsů a jsou zahrnuty v regulaci proliferace, apoptózy, sekrece a diferenciace.

K-ras a B-raf jsou klíčové molekuly v této signální kaskádě, protože mutace vyúsťují ve stálou genovou aktivaci vedoucí k autonomní proliferaci a nádorovému růstu. Gen KRAS náleží do rodiny RAS onkogenů a kóduje 21kDa protein s GTPázovou aktivitou. Tento protein je regulován cyklem lipidové modifikace (de- a repalmitoylace), která podporuje jeho rychlou výměnu mezi plazmatickou membránou a Golgiho aparátem. Zatímco během karcinogeneze je změněna celá řada genů, počet deregulovaných signálních drah je relativně malý.

Za klíčový mechanizmus špatného signálování jsou považovány mutace v  genech kódujících APC a TP53 a ztráta heterozygotnosti (LOH).

V posledních letech byly objeveny nové dráhy vzniku sporadických CRC. Molekulární změny se liší od těch provázejících tradiční přechod adenom – karcinom. U tzv. „serrated lesions“ jsou mutace APC nebo TP53 a LOH vzácné a převažují hypermetylace CpG ostrůvků a nestabilita mikrosatelitů.

V souhrnu je CRC založena na sekvenci molekulárních dějů v enterocytech zahrnujících genové mutace, epigenetické modifikace a aberantní signálování v základních buněčných drahách. Avšak proliferace, buněčná aktivita a smrt enterocytů i činnost tzv. modifikujících genů závisí na dalších faktorech jako je složení matrix, mikrobiom, chronický zánět, vliv protředí a složek diety.

Rozvoj adenom-karcinom

Rozvoj CRC z normální tkáně přes benigní adenom k malignímu adenokarcinomu je dlouhodobý komplexní několikastupňový proces, který není úplně stejný u různých typů CRC Obecně je v zásadě nutných 4–6 genetických defektů (mutace, deregulace protoonkogenů – K-ras, c-myc a inaktivace nádorových supresorů – APC, p53).

Funkce APC (adenomatous polyposis coli) proteinu

APC je 300 kD cytoplazmatický protein kódovaný APC genem a je často mutovaný v prvotních stadiích CRC (u adenomů) (obr. 13-11). APC interaguje s řadou buněčných proteinů a drah a přispívá tak k regulaci diferenciace, migrace, proliferace a adheze. Jeho mutace tak ovlivňuje všechny tyto procesy. Multifunkční protein APC se účastní:

• regulace signálu indukovaného beta-kateninem (regulace Wnt dráhy);
• regulace buněčné adheze prostřednictvím beta-kateninu a E-kadherinu;
• regulace migrace buněk interakcemi s mikrotubuly a F-aktinem;
• zástavy buněčného cyklu zřejmě přímou inhibicí jeho komponent;
• změn cytoskeletu a deregulace beta-kateninu, která vede k poruchám diferenciace a genové exprese;
• ovlivnění migrace buněk a mitotického vřeténka vyúsťující v aneuploidii. Zvýšená hladina beta-kateninu způsobuje neschopnost vazby APC na mikrotubuly a dochází k deregulaci migrace buněk a segregace chromozómů.

Interakce buněk kolonových krypt s látkami vznikajícími v  krvi nebo v lumen střeva

Mutace genu APC v kmenových buňkách může být výsledkem působení látek z krve nebo zárodečné mutace a produkuje abnormality v buněčné proliferaci, migraci a adhezi. Důsledkem je akumulace abnormálních buněk na vrcholu krypt, kde se tvoří aberantní fokusy (ACF), které vyčnívají do proudu stolice. Zvyšuje se tak pravděpodobnost dalších mutací kontaktem proliferujících buněk s fekálními mutageny a postupnou klonální expanzí se tvoří adenomy.

Postup vzniku adenomu je následující (obr. 13-12):

1. Mutace kmenové buňky např. v genu APC;

2. Kolonizace krypty buňkami APC-/- a vznik monokryptálního adenomu;

3. Polyklonalita vzniká v důsledku krátkodobé interakce zřejmě změnou signálování buněk spojených s lamina propria. Dochází k mutaci v přilehlé kryptě;

4. Expanze adenomu;

5. Expanze dominantního klonu vede ke vzniku monoklonálního nádoru.

Epigenetika a negenotoxické faktory v CRC

Vznik sporadických forem CRC je často spojen s epigenetickými změnami, které způsobují zvýšenou expresi onkogenů nebo inhibici exprese nádorově supresorových genů. Jedná se hypo- nebo hypermetylace promotorů pro tyto geny. Hypometylace je obecný a raný děj odpovědný např. za overexpresi KRAS. Naopak hypermetylace vede k inaktivace nádorově supresorových genů (např. APC).

Mutace genů MLH1 a MLH2 účastnících se reparace DNA (fungujících jako „caretakers“ nebo kontrolujících stabilitu genomu) jsou velmi časté u hereditárních forem a predisponují jedince i k jiným typům jako jsou nádory endometria, žaludku či vaječníků. Oba geny kódují složky aparátu pro „mismatch repair“ a jejich inaktivace vede k nestabilitě mikrosatelitů.

Tyto geny jsou však často metylovány u sporadických forem CRC (epimutace), což vede k podobným projevům jako u dědičných forem CRC. Epimutace  nemusí být omezeny jen na jednotlivý typ genů. Metylace je silně spojena s nádory vykazujícími tzv. CIMP fenotyp (CpG island methylator phenotype). Tyto nádory často vznikají ve vzestupném kolonu u starších žen. Fenotyp s mnoha metylovanými promotory vykazuje odlišné klinicko-patologické vlastnosti a CIMP pozitivita je charakteristická pro hyperplastické polypy a „serrated“ adenomy. Pro tyto poruchy je charakteristická i zvýšená metylace v normální mukóze proximálního kolonu.

Epimutace per se se nedědí přes zárodečné linie, ale mohou být výsledkem dědičných genetických aberací predisponujícím k epimutaci.

Řada faktorů (chronický zánět, výživa - lipidy, složení matrix, medikace, bakterie, záření) ovlivňuje základní molekulární dráhy a tím i délku života, proliferaci a apoptózu enterocytů. Tyto dráhy a molekulární entity (genom, transkriptom atd.) určující chování buněk jsou vystaveny buněčnému stresu a fungují jako modifikátory. Podobně jsou ovlivňovány i střevní kmenové buňky. Aberantní modifikace hraje v rozvoji CRC důležitou úlohu (obr. 13-13).

Důležitým modifikátorem v patogenezi CRC byl identifikován v posledních 10 letech mikrobiom, tedy vysoce dynamická komunita mikroorganizmů na povrchu střevní mukózy. Interakce střevních buněk s mikrobiomem má dopad na metabolom a lipidom, maturaci a proliferaci střevních buněk podél krypty, tkáňovou homeostázu a hraje úlohu v řadě onemocnění. Střevní bakterie a jejich produkty (např. efektorový protein AvrA) indukují ROS a zánět vedoucí k aktivaci signálních drah JAK-STAT, JNK a Wnt. Tyto dráhy udržují homeostázu mechanizmy regulujícími apoptózu enterocytů a nahrazování poškozené tkáně proliferací kmenových buněk a diferenciací. Tyto procesy jsou ve zdravé tkáni v rovnováze Ve střevě obsahujícím mutované buňky (mutace APC, Ras, PTEN) indukují bakterie chronický zánět a aktivaci Wnt a JAK-STAT dráhy vyúsťující ve zvýšený počet kmenových buněk. Nekontrolovaný zánět a hyperproliferace vedou k dysplasii a případně k vývoji nádoru (obr. 13-14).

Ve všech stádiích rozvoje karcinomu se mohou uplatňovat bioaktivní složky potravy. Mohou jak brzdit tak stimulovat progresi jednotlivých stádií. Název nutrigenom nádorových buněk odráží modifikaci genomu maligních buněk složkami diety a expresi tzv. modifikátorových genů.

Příjem dietetických složek ovlivňujících metylační metabolizmus jako je folát, methionine, cholin, vitamin B12 (obsažené zejména v zelené listové zelenině) může modifikovat metylační strukturu. Folát udržuje stabilitu genomu regulací biosyntézy DNA, reparace a metylace. Deficience folátu pak indukuje a urychluje karcinogenezi. Environmentální vlivy na počátku vývoje mohou predisponovat jedince k nádorům i jiným chorobám právě modifikací epigenomu.

Jedním z modifikujících genů odhalených u APC myší je gen kódující sekretorickou fosfolipázu A2 (sPLA2). Aktivita enzymu je spojena s různými funkcemi včetně trávení, kontrakce hladkého svalstva a buněčnou proliferací. Navíc se uplatňuje v zánětlivých podmínkách a je zvyšována prozánětlivými cytokiny, např. TNF a IL-1. Byl identifikován PLA2 receptor jako nový nádorově supresorový gen zásadní pro buněčnou senescenci přes aktivaci dráhy p53.

Kromě genů fungujících jako modifikátory v CRC je důležitým faktorem modifikujícím chování epiteliálních buněk a intestinální karcinogenezi rovněž ECM. Různorodost složení matrix je výsledkem složité směsi neepiteliálních buněk uchycených v adaptované síti mimobuněčných lamelárních a nelamelárních molekul. Kromě toho fungují jako důležité modifikátory intestinální patogeneze různé typy sekretovaných produktů jako jsou muciny a další glykoproteiny jako součást nebuněčných složek matrix.

Mucin 2 je exprimován gobletovými buňkami, patří k nejvíce sekretovaným mucinům a je důležitý pro intestinální homeostázu. Narušená exprese nebo sekrece mucinů koreluje se vznikem zánětu a kolorektální karcinogenezí. V současné době byla detekována interakce Muc2 a APC vyúsťující v modifikaci Wnt signálování.

Úloha cytokinů a specifických signálních drah

V kolorektální karcinogenezi se uplatňují různé endogenní faktory, jejichž deregulace přispívá k rozvoji nádoru. Důležitými mediátory chronického zánětu a modifikátory vzniků střevních nádorů jsou např. cytokiny. Jejich zdrojem ve střevě jsou zejména lymfocyty. Současná epidemiologická data ukazují na vysokou incidenci CRC u pacientů s chronickým zánětem střeva, který je spojen s poruchami ve složení nebuněčných složek matrix.

Důležité jsou cytokiny z rodiny transformujícího růstového faktoru (TGFα, TGFβ). TGFβ funguje jako negativní růstový faktor epiteliálních buněk. Aktivuje specifické receptory TGFβRI a RII a přes kaskádu signálních proteinů rodiny SMAD 2-4. Zastavuje buňky v G1 fázi a inaktivační mutace této signální dráhy vede k poruchám apoptózy a k progresi adenom-karcinom (obr. 13-15).

TGF-β RII receptor je mutovaný v nádorech kolonu a v nádorových liniích odvozených od kolorektálního karcinomu s mikrosatelitní nestabilitou. Obnovení exprese RII může zvrátit transformovaný fenotyp TGFβ, který vede ke ztrátě citlivosti nádorových buněk kolonu k růstově inhibičním účinkům

TGFα sdílí společný receptor s epidermálním růstovým faktorem (EGF) a oba typy podporují proliferaci buněk.

Významnou úlohu ve vývoji CRC sehrává zánětlivé onemocnění střeva (IBD). V prostředí chronického zánětu dochází k nadprodukci zánětlivých cytokinů - TNF-α, interleukinů (IL-1, -6, -8) a dalších mediátorů (např. prostaglandinů) i k nadprodukci kyslíkových a dusíkových reaktivních metabolitů. Tyto faktory mohou vést buď přímo k poškození DNA nebo působí negenotoxickými mechanizmy vedoucími k inhibici apoptózy, k podpoře angiogeneze a invaze. Dochází k aktivaci specifických signálních drah a transkripčních faktorů, např. PI3K/Akt dráha či transkripční faktor NFκB (obr. 13-16).

Významnou rodinou cytokinů je rodina TNF zastoupená TNF-α, Fas ligand, TRAIL – TNF related apoptosis- inducing ligand.

TNF-α je

• multifunkční cytokin
• jeden z hlavních mediátorů zánětu
• produkován makrofágy a dalšími buňkami imunitního systému

Koncentrace TNF-α v kolonu je zvýšena během chronického zánětu (ulcerativní kolitida nebo Crohnova choroba) a hraje úlohu v nádorové kachexii.

Důležitý je poznatek, že mezi cytokiny a dietetickými faktory (mastné kyseliny a eikosanoidy) existuje vzájemná interakce. Tak produkce zánětlivých cytokinů podporuje produkci např. prostaglandinů a naopak.

Signální dráhy Wnt, BMP a Notch kontrolují transkripci specifických cílových genů a jsou často deregulovány u CRC (obr. 13-17). Tyto dráhy jsou ovlivňovány řadou vnitřních i vnějších faktorů.

Buňky citlivé k Wnt nesou transmembránové receptory Frizzled (Fz) a Lrp5 a Lrp6 (low density lipoprotein receptor – related protein). Při absenci sekretovaného faktoru Wnt destrukční komplex sestávající z APC, axinu a kináz CK1 a GSK3 beta indukuje degradaci cytoplasmatického beta-kateninu. Transkripční faktor Tcf spojený s korepresorem reprimuje cílové geny specifické pro Wnt. Aktivace Fz receptoru blokuje destrukční komplex, dochází k akumulaci beta-kateninu, translokaci do jádra, aktivaci Tcf a Wnt cílových genů (obr. 13-18 a 13-19).

Dráha BMP není aktivována při absenci signálu sekretovaným faktorem BPM. Sekretovaný faktor BMP propojí BMP receptor I a II, což vede k fosforylaci proteinu R-SMAD, spojení se SMAD, translokaci do jádra a aktivaci BMP cílových genů.

Dráha Notch je aktivována vazbou Notch receptoru na ligand vázaný k buňce. Následný prooteolytický krok vede k uvolnění vnitrobuněčné domény NICD, která putuje do jádra, váže se s transkripčním faktorem NCL a aktivuje transkripci Notch cílových genů.

Jaderné transkripční faktory

K rozvoji CRC přispívají rovněž změny aktivace různých cytoplazmatických i jaderných receptorů – transkripčních faktorů. Hladina těchto receptorů kolísá v různých kompartmentech tlustého střeva a mění se i v průběhu vývoje CRC (obr. 13-20). Tyto vnitrobuněčné receptory mohou být aktivovány různými faktory a podněty (endogenními i exogenními) a po navázání na příslušné elementy DNA ovlivňují genovou expresi (obr. 13-21). Patří knim:

• Jaderný transkripční faktor NFκB
• Receptory pro peroxizómové proliferátory – PPAR (α, β/δ, γ)
• Liver receptor homology LRH-1
• Retinoidní receptory RXR/RAR
• Receptor pro vitamin D (VDR)
• Receptor pro tyroidní hormon (TR)
• Estrogenní receptor (ER)

Faktory vnějšího prostředí

Kromě genetické složky je rozvoj CRC ovlivňován vnějšími faktory – životním prostředím a životním stylem. Sporadická forma nádorů kolonu je nedědičná a postupně se vyvíjí řadu (desítky let). Výsledky epidemiologických studií však nejsou jednoznačné, protože je velmi obtížné standardizovat všechny parametry. Nicméně  z různých studií vyplývají např. škodlivé účinky vysoké spotřeby červeného masa, zvláště silně opékaného, alkoholu a kouření spolu s nízkou konzumací vlákniny, folátu a metioninu. Protektivní působení je uváděno u zeleniny, ovoce, vlákniny, vitamínu D, kalcia a látek typu nesteroidních antiflogistik (NSAIDs).

Mezi vnější faktory patří i výživa, která nás ovlivňuje denně a dlouhodobě (obr. 13-22). Podíl diety na rozvoji CRC je stále diskutován, nicméně je zřejmé, že význam má:

• celkový kalorický příjem a frekvence příjmu potravy
• obsah a kvalita tuků v potravě (působení žlučových kyselin, obsah a kvalita nasycených a nenasycených tuků spojených např. s lipidovou peroxidací či zvýšenou tvorbou prostaglandinů)
• ochranný vliv vlákniny (zajišťuje vazbu karcinogenů, zkrácení doby tranzitu střevem, snížení pH)
• obsah vitaminů a další mikrokomponent (vit. A, C a E a selen jsou antioxidanty)
• konzumace alkoholu a kávy
• kouření (hlavně doutníky a dýmky)
• přítomnost potravinových mutagenů (zejména heterocyklických aminů vznikajících ve vařeném a pečeném mase a tucích)
• konzumace masa a vajec (vysoká konzumace červeného masa může být riziková (vepřové, hovězí)

Rizikovým faktorem u CRC je také nedostatek fyzické aktivity, která může modifikovat metabolizmus a podporovat účinky diety s vysokým obsahem tuků.

Úlohu mohou hrát rovněž profesionální faktory, které mohou být zdrojem látek zvyšujících riziko nádorů kolorekta (zejména kovoprůmysl, automobilový a dřevařský průmysl). Charakteristickým rysem CRC je narůstající výskyt s přibývajícím věkem (pokud nejde o dědičné formy). Svou roli může hrát rovněž oslabený a neefektivní imunitní systém.

Chemoprevence

Existuje řada faktorů a látek, které mohou rozvoj CRC brzdit, tj. působí chemopreventivně, buď ve stadiu iniciace či promoce. Patří k nim rovněž složky potravy, jako jsou antioxidanty, vápník, selen, folát atd. Primární prevence brzdí iniciaci buněk snížením toxicity nebo indukcí detoxifikace. Sekundární prevence redukuje promoci iniciovaných buněk do preneoplastických inhibicí proliferace či indukcí diferenciace nebo apoptózy. Účelem terapie je pak omezení progrese preneoplastických buněk do neoplastické populace (obr. 13-23).

Důležitou skupinu chemopreventivních látek představují mastné kyseliny s krátkým řetězcem (SCFA). Jsou to organické mastné kyseliny s 2-5C (acetát, propionát, butyrát), které vznikají bakteriální anaerobní fermentací vlákniny a účastní se regulace funkcí a cytokinetiky v kolonu.

Nejvýznamnější je butyrát důležitý pro udržení homeostázy ve střevní tkáni regulací exprese genů spojených s proliferací, diferenciací a apoptózou. Microarray analýza prokázala změny exprese až 19 400 genů. Butyrát funguje také jako inhibitor histon deacetyláz (HDAC), což je skupina látek potenciálně využitelných v protinádorové terapii, protože ovlivňují expresi řady důležitých genů. Butyrát slouží jako zdroj energie pro normální kolonocyty, ale brzdí proliferaci a indukuje diferenciaci a apoptózu neoplastických kolonocytů in vitro a in vivo (obr. 13-24).

Folát, jehož zdrojem je zelenina může ovlivňovat syntézu, reparaci a metylaci DNA (obr. 13-25).

Důležitou skupinou chemopreventivních látek jsou tzv. nesteroidní protizánětlivé látky (NSAIDs). Ty fungují jako inhibitory metabolizmu kyseliny arachidonové a brzdí tvorbu zánětlivých a imunosupresivních metabolitů (prostaglandinů, leukotrienů) – viz dále. Mohou být účinné pro zastavení rozvoje polypózy do adenomů a adenokarcinomů.

Úloha lipidů, mastných kyselin a jejich metabolizmu

Důležitou roli v rozvoji CRC hrají i lipidy a jejich metabolizmus. Proto je pozornost věnována konzumaci a účinkům různých typů lipidů v dietě a souvislostem s rozvojem CRC. Důležitá je nejen kvantita, ale také skladba mastných kyselin (MK) i exprese a aktivita enzymů metabolizujících lipidy.

Bioaktivní složky diety obsahující esenciální polynenasycené MK (PUFAs) s nenasycenými dvojnými vazbami mohou modulovat důležité děje spojující zánět s rozvojem a progresí nádorů.

Ve střevě byla identifikována celá řada specifických receptorů pro mastné kyseliny lišících se dle délky řetězce dané kyseliny, u nichž se předpokládá, že mohou být spojeny s transformací buněk a vznikem nádorů.

MK s dlouhým řetězcem vykazují řadu aktivit ovlivňujících buněčný cyklus a apoptózu. Jsou důležitou součástí fosfoplipidů buněčných membrán a mohou tak modulovat strukturu i vlastnosti těchto membrán a tak i příjem a přenos důležitých signálů z vnějšího prosředí do buněk. Kromě toho je za základní mechanizmus modifikačních aktivit MK na řadu signálních kaskád a receptorových struktur považována lipidace proteinů. Dietetické MK jsou tedy důležité substráty pro modifikaci proteinů přímou molekulární interakcí. Syntéza derivátů acyl-CoA z dietetických MK je důležitým krokem pro tuto modifikaci a biodostupnost lipidů.

Lipidomika se tak stává nástrojem pro objasnění interakcí dietetických lipidů a buněčného lipidového metabolizmu. Protože se ukazuje zásadní úloha lipidů v řadě signálních drah včetně těch spojených s apoptózou, proliferací a karcinogenezí, je nutné porozumět a analyzovat význam lipidů v kolorektální karcinogenezi, diagnostice, prognóze a ovlivnění.

Lipidomika slouží také k výzkumu buněčného lipidového metabolizmu a patologických změn lipidových drah. Je definována jako široké studium drah a sítí buněčných lipidů a studována s využitím celé škály biochemických a molekulárně biologických metod.

Buněčný lipidom obsahuje přes 1000 různých vysoce odlišných a složitých typů molekul, z nichž mnohé jsou metabolicky nepřeměnitelné a strukturálně podobné.

Metabolizmus kyseliny arachidonové (AA)

V rozvoji CRC hraje významnou úlohu metabolizmus AA. Ten zahrnuje aktivitu fosfolipázy A2 (PLA2) uvolňující AA z membránových fosfolipidů a dalších specifických enzymů katalyzujících přeměnu AA na aktivní metabolity – eikosanoidy. Mezi ně patří zejména cyklooxygenázy (COX-1 a COX-2), lipoxygenázy (5-,12- a 15-LOX) a cytochromy P450 (obr. 13-26). COX katalyzují vznik různých typů prostaglandinů (PG) a tromboxanů (TX) (obr. 13-27), LOX katylyzují vznik různých typů hydroxykyselin (HETE), lipoxinů (LX) a leukotrienů (LT) (obr. 13-28). O stejné enzymy soutěží s AA i nenasycené mastné kyseliny typu n-3 (EPA, DHA), ze kterých vznikají méně biologicky aktivní a protizánětlivé metabolity (neuroprotektiny, resolviny). Produkty AA mohou ovlivňovat cytokinetiku, adhezivitu a invazivitu buněk, ovlivňovat  produkci cytokinů a imunitní systém. Uplatňují se také v zánětu. Chronický zánět mění hladiny zánětlivých mediátorů včetně COX-2, reaktivních metabolitů kyslíku a dusíku a zánětlivých cytokinů a aktivuje protoonkogeny. V závislosti na společných funkcích a rovnováze zánětlivých mediátorů může zánětlivá odpověď nádor buď podporovat, nebo působit protinádorově.

U kolorektálních karcinomů je často zvýšena exprese inducibilní izoformy enzymu COX-2 a množství produktu prostaglandinu E2 (PGE2) (obr. 13-29). Ten stimuluje růst a inhibuje apoptózu nádorových buněk a dále působí na funkce imunitních buněk (imunosuprese) a má prozánětlivé účinky. Zvýšená exprese COX-2 byla detekována i u řady buněčných typů spojených s nádorovým prostředím – makrofágy, fibroblasty, osteoblasty, endoteliální buňky, které tak mohou podporovat růst nádoru řadou mechanizmů.

Zvýšená aktivita COX-2 je zodpovědná za nadměrnou produkci určitých typů PGs. Ty působí na specifické receptory (EP1-4), které jsou spřaženy s G proteiny (obr. 13-30).

PG fungují buď autokrinními mechanizmy, nebo působí na EP receptory jiných buněk, např. endoteliálních a mají proangiogenní efekty (parakrinní mechanizmus) (obr. 13-31). S onkogenními účinky PGE2 souvisejí specifické signální dráhy.

Tři hlavní dráhy aktivované PGE2 jsou:

• transaktivace EGFR
• fosforylace ERK závislá na PKC
• indukce beta-kateninu

Zvýšená exprese specifických receptorů pro PG (EP4) usnadňuje kolorektální karcinogenezi, protože vzniká pozitivní zpětná smyčka zvyšující expresi COX-2.

Normální buňky vykazují nízkou expresi EP i COX-2 a při vysoké koncentraci PGE2 dochází k inhibici růstu. Naopak nádorové buňky vykazují zvýšenou expresi EP4 (transkripční upregulace, aktivační mutace či chromozomální amplifikace) i COX-2 a tvorba PGE2 způsobuje (spolu s aktivací růstového signálu přes aktivaci ERK1/2 dráhy) růstovou stimulaci.

Vzniká autokrinní smyčka, kdy přenos signálů z receptorů EP2 a EP4 se uskutečňuje prostřednictvím aktivace adenylát cyklázy přes G proteiny, dochází ke stimulaci produkce cAMP a PKA, aktivace transkripčního faktoru CREB – cAMP response-element (CRE) a k transkripci genu pro COX-2. Selekční tlak pak upřednostňuje přežívání buněk s vyšší expresí EP (obr. 13-32).

EP2/EP4 aktivují paralelně Tcf/Lef signální dráhu nezávisle na APC. EP4 aktivuje také dráhu pro přežití PI3K/Akt a ERK1/2 kinázy a transkripční faktor EGR1 regulující expresi genů pro PGE, TNF, cyklinD1 (obr. 13-33).

U kolorektálních karcinomů byla detekována také zvýšená aktivita a produkty 12- a 15- LOX, které podporují tvorbu metastáz a angiogenezi.

Různé typy NSAIDs  inhibují oba izoenzymy COX nebo mohou být specifické pro COX-2 (coxiby). Tyto látky mohou snižovat zánět a riziko kolorektálních nádorů (obr. 13-34). Při dlouhodobém užívání však hrozí poškození střeva (krvácení) a proto se vyvíjejí nové preparáty. Tyto látky působí různými mechanizmy interferujícími s účinky a signálními drahami eikosanoidů (obr. 13-35). Jde o modulace specifických signálních drah (PI3K/Akt) či aktivace (inaktivace) specifických transkripčních faktorů (PPARs, NFκB, AP1) a exprese specifických proteinů např. regulujících apoptózu (Bax, Bclxl).

---