Původ CSCs ? a) somatické kmenové buňky b) TA buňky (progenitory)* Podstatou je akumulace chyb v regulaci diferenciace, proliferace a apoptósy. Tyto chyby mohou být jak na základě poškození/změn DNA (genů - mutace, translokace,..), tak na úrovni epigenetických mechanismů, případně kombinací obou. => chybná odpověď na vnější signály (růstové faktory, proteiny ECM, buňky) Normál stem ce Progenitor oř Transit-amplifying cells m. Mfiture tissue a Ca ncer stem cell Jordan 2006 * Lze i experimentálně navodit zvýšením exprese oncogenů, např ras + myc. Kmenové buňky nádorů jsou zodpovědné za návrat (relaps) onemocnění a metastáze CSCs podobně jako jiné SSC -> rezistence na toxické faktory (MDR proteiny) -> pomalá proliferace (=>self-renewal) - in vivo ❖ mají všechny nádory benigní/maligní/metastázující CSC? ❖ ne všechny buňky izolované z nádorů jsou schopny dávat nádorům vzniknout ❖ in vitro jsou nádorové linie s SP buňkami (jejich SC ???) i bez SP buněk! ❖ SSCs jsou pro danou tkáň prakticky stejné, u CSCs to ale neplatí (rozdíly ve fenotypu i genotypu) = mnohé nádory i CSCs mají jedinečné vlastnosti! ❖ potenciál CSC je závislý na původní buňce -> CSC z diferenciačně časnějších typů mají „agresivnější" fenotyp Kmenové buňky nádorů jsou zodpovědné za návrat (relaps) onemocnění a metastáze Dlúůd vessels Secreted factors Stroma CSC Non-CSC tumor ceils -1- CSC niche Self-renewal — Differentiation Drug resistance Radiation resistance CSC-specific antigens Ailles & Weissman, 2007 Model regulace tumorogeneze přesmykem aktivity MAPK Erk a p38 Ranganathan 2006 A - znázornění progrese nádoru u pacienta B - proliferace x dormance (quiescence) nádorových buněk v závislosti na aktivitě MAPK Erk a p38 C - mechanismus aktivace Erk a p38 C FN fibrills FM molecules p1 • EGFR ..5 FAK inflibitia \ im Erk Tumorigenicity Growth Arreat Dormancy P rol Iteration Tumorigenicity CDC42 - P38 I Growth Arrest Dormancy Dobře prokázané CSCs jsou u nádoru původu neurálního hematopoetického prsního Hematopoietic stem cells 9 V" # tag ■ . - ■ - 4 All types of blood Jordan 2006 Hematopoetické CSCs Normal Hematopoiesis ľ: í; Myeloidní leukémie (granulocyty, monocyty, erytrocyty, megakaryocyty) > Lymfoidní leukémie (B a T buňky, NK buňky) Hematopoetické CSCs chronická myeloidní leukemie (CML) akutní myeloidní leukemie (AML) akutní lymfoblastická leukemie (ALL) CSCs byly jasně prokázány u AML a CML, a jsou s vysokou pravděpodobností i u ALL. Díky tomu, je u těchto onemocnění nedostatečné působení běžných antiproliferativních farmak. AML - IL3-R+ (není u normálních HSCs), CD33+ (IgSF, sialoadhesin) - CD33 se zdá být vhodným pro rozpoznání AML CSCs (imunoterapie), navíc byl prokázán u některých dalších leukemických CSCs. - vysoká aktivita NF-kB a PI3K u AML SCs, ale ne u HSCs, farmakologická inhibice NF-kB a PI3K nebo mTOR (target of rapamycin; substrát PI3K) snižuje proliferaci AML SCs, ale ne HSCs (=>CSCs specifická terapie) CML - charakteristický fůzní gen BCR-ABL (=> nadbytek ABL kinázy), inhibitory ABL (imatinib mesylate, dasatinib) potlačují leukemii, ale ne její SCs, => vysazení vede k obnově onemocnění BCR-ABL - Breakpoint Cluster Region-Abelson Kinase Kmenové buňky akutní myeloidní leukémie > schopné osídlit kostní dřeň příjemce > schopné indukovat AML > akumulace nezralých buněk (i bez liniové specifikace) Misaghian et al., 2009 Kmenové buňky chronické myeloidní leukémie - fenotypem jsou často velmi podobné normálním HSC leukémie tvořena zralými typy buněk (např. granulocyty) Vznik Philadelphia chromozómu přítomného v buňkách CML gen 8CR n *h chromozom 22 ^ ^ť^™ geneW chromozom 9 gen BCR/ab! Adam et al. 2003 Ph chromozom Misaghian et al., 2009 Akutní lymfoidní leukémie - ALL > příčinou může být vznik Philadelphia chromosomu (fůze Bcr/Abl) > ALL SC (stejně jako CML) fenotyp CD34+CD38- > nadprodukce nezralých lymfoidních buněk Chronická lymfoidní leukémie - CLL > nadprodukce B a T lymfoidních buněk > sebeobnova i u zralých buněk -> CLL SC jak z HCS tak z diferencujících typů Původ jednotlivých typů S HSC nebo pre-B buňky => ALL S z B buněk folikulárního pláště (follicular mantle B cells) => většina lymfomů + nepříznivá (unfavorable) CLL S z B buněk germinálního centra => ne-Hodgkinovy lymfomy S z paměťových B buněk => mnohočetný myelom, Hodgkinovy lymfomy, příznivá (favorable) CLL Fenotyp a geneze buněk lymfoidních leukémií Neurální CSC - NCSC ♦> neurální CSCs vytvářejí (v kultuře) podobně jako NSCs sférické plovoucí útvary (= neurosféry) ❖ neurosféry mohou být rozsuspendovány na jednotlivé buňky, z nichž některé jsou multipotentní a jsou schopné vytvořit novou neurosféru, případně dávat vznik všem známým skupinám neurálních buněk (neurony + glie, stejné pro NSC i NCSC) ♦> NSCs i NCSCs exprimují povrchový antigen CD133 (AC133), případně i nestin, u některých gliomů bylo prokázáno, že pouze CD133+ buňky izolované z těchto nádorů jsou schopné tyto nádory po transplantaci vyvolávat, kdežto ostatní buňky ze stejného nádoru ne, a to ani v případě aplikace o 104 vyšší koncentrace buněk ♦> u NCSCs je také dobře prokázán vznik jak z NSCs, tak z neurálních prekurzorů (TA buněk, pro které jsou známy dlouhodobé kultivační podmínky pro růst in vitro) Glioblastom a potenciální význam BMP pro jeho eliminaci / terapii Signální dráhy jejichž požkození (mutace komponent) se podílí na vzniku nádorů nervového systému SELF-RENEWAL Ponnusamy & Batra, 2008 SC a CSC mléčných žlaz - MaSC a MaCSC (Mammary CSC) ❖ MaSCs -> SP populace Sca1 + a liniově negativních (B220-, Gr-1-, Mac-1-, CD4-, CD5- a CD8-) buněk tvořících „mammosféry" (podobně jako neurosféry obsahují jak SCs, tak množství progenitorů a diferencovanějších typů buněk) ❖ kmenové buňky mléčných žlaz jsou schopné dát vznik prsní tkání po transplantaci do vhodného prostředí z metastázujících prsních nádorů byly izolovány buňky CD44+/CD24-, schopné tyto nádory vyvolávat po následné transplantaci, oproti 100 násobnému množství ostatních buněk izolovaných z takového nádoru ❖ pravděpodobně ne všechny CD44+/CD24- mají potenciál CSC ❖ CD44+/CD24- buňky nejsou také pravděpodobně odvozeny od MaSCs ale od TA Multipotential LT-LRC ST-LRC SP/TA SCA1 1 f P ■ 1 i II E-cadherin |^ Integrin DP Double positive D N Double negative P21C'P Msi1 CK19 K1B/K14DP EMA/CALLA D N ER PR K6 Tumorigenic path ^ CD44+/CD24- Committed QEElSQ Luminal Woodward, 2005 LIlJLllAllJ Myoepithelial LT-LCR (long term label retaining cell), ST-LRC (short term LRC), ER - receptor pro estrogen PR - receptor pro progeteron, CD24 - povrchový protein s GPI kotvou, CD44 (H-CAM) Nádory a fenotyp jejich kmenových buněk S- No Cancer type Markers for CSC population 1. Brain Tumors CDI33+ 2. Breast Cancer CD24^|0W/CD44+/ESA+ 3. Ovarian Cancer CDI33+/Side population (SpyCD44+ CDII7+ A. Lung Cancer CDI33+ 5. Prostate Cancer CD44+/a2plWCDI33^ Pancreatic Cancer CD44+/CD24+/ESA/CDI33+ 1. Hepatocellular Cancer CDI33+ BL Hematological Malignancies CD34+/CD38" 9. Colon Cancer CDI33+/CD44+/Lin7ESA+ 10. Head and Neck Cancer CD44+ Vaish, 2007 Fenotyp nádorových kmenových buněk a jejich zdravých ekvivalentů Organ Cancer type Norm of stem cell morfcers Cojicer stem cell markers Hematopoietic Breast Brain Skin Prostate Tongue, Larynx, Throat and Sinus Pancreas Leukemia Mammary cancer Brain tumor Melanoma cancer Prostate cancer Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) Pancreatic cancer CD34+CD38ThylLin-CD24™i CDI3Min-CD20-CDI&Nestin-CD44 CD24 CD44ESA- CD34*CD38ThylLin-CD44*CD24^ESMLin-CDI33+ Nestin CD20tCDI6é+Nestin+ CD44^,^CDI33+ CD44* CD24*CD44+ESA+ Ponnusamy & Batra, 2008