Úvod do molekulární medicíny
C7188
doc. Mgr. Jiří Šána, Ph.D. podzim 2024
2. Molekulární patologie nádorových onemocnění
Historie poznávání nádorových onemocnění
- Nejstarší popis rakoviny 1600 p.n.l. pochází z Egypta Papyrus Edwina Smithe popisuje
8 tumorů nebo ulcerací prsu ošetřovaných kauterizací nástrojem označnovaným
„the fire drill“. Tato nemoc není léčitelná (termín rakovina nebyl použit)
- 400 p.n.l. Hippocrates popsal rakovinu jako dlouhé výběžky (podobné račím nohám)
vybíhajícím do zdravých tkání:
- řec: karkinos = rak; onkos = krab
- lat: cancer = rak
- popisné (epidemiologické) poznatky:
- 1848 - zvýšený výskyt rakoviny prsu u jeptišek (souvislost s bezdětností a nekojením)
- 1775 - rakovina šourku u kominíků (souvislost s výskytem škodlivin v sazích;
souvislost s hygienickými návyky)
- 1902 - souvislost RTG paprsků a vzniku rakoviny
- poč. 20. stol. - rodinný výskyt nádorů
Epidemiologie zhoubných nádorů v České republice
Systém pro Vizualizaci Onkologických Dat – SVOD verze 7.0 (www.svod.cz)
Pracuje s validovanými epidemiologickým daty Národního onkologického registru NOR
za období 1977-2005 (databáze obsahující přibližně 1,5 mil. záznamů),
spravovaných Ústavem zdravotnických informací a statistiky ČR (ÚZIS ČR)
DUŠEK Ladislav, MUŽÍK Jan, KUBÁSEK Miroslav, KOPTÍKOVÁ Jana, ŽALOUDÍK Jan, VYZULA Rostislav. Epidemiologie zhoubných nádorů
v České republice [online]. Masarykova univerzita, [2005], [cit. 2009-10-04]. Dostupný z WWW: http://www.svod.cz.
Verze 7.0 [2007], ISSN 1802 – 8861.
incidence – nová
onem/počet obyvatel
prevalence – celkový
počet onem/počet obyvatel
mortalita – počet
úmrtí/počet obyvatel
letalita – počet zemřelých
na onem/počet nem (%)
Nádorová onemocnění – eLologie (AtribuLvní přispění k celk. úmrtnosL na
nádory )
0 5 10 15 20 25 30 35 40
%
Kouření
Výživové faktory
30 %
Alkohol
Infekční agens
Radiace a sluneční záření
Pracovní expozice
Chemické škodliviny v životním prostředí
35 %
5 %
Nízká pohybová aktivita5 %
Ovlivnitelné zevní faktory působí > 80 % nádorů
Nádorová onemocnění – eLologie (AtribuLvní přispění k celk. úmrtnosL na
nádory)
Faktory prostředí: chemické - karcinogeny
fyzikální - UV, ionizující záření
biologické - DNA nádorové viry
RNA nádorové viry - retroviry
GeneEcký
základ
Rizikové
faktory
Nedostatek protektivního
faktoru = rizikový faktor Protektivní
faktory
Nádorová onemocnění – etiologie
33
33
50
20
66
33
33
66
33
10
25
10
10
10
25
10
29.3
50
50
75
33
75
50
66
75
50
20
50
20
20
20
33
20
40.6
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Ústa,pharynx,nasopharynx
Larynx
Jícen
Plíce
Žaludek
Pancreas
Játra
Colon,rectum
Prs
Ovarium
Endometrium
Cervix
Prostata
Štitná žláza
Ledviny
Močovýměchýř
Celkově
Spodníodhad - horní odhad (%)
Míra preventability nádorů výživovými faktory
Příklady
Japonci přestěhovaní do
Ameriky: Japonsko 6-8x vyšší
incidence nádorů žaludku, příští
generace již srovnatelná
incidence.
-Adventisté sedmého dne: asi
poloviční výskyt nádorů oproti
ostatní americké populaci (Ü
zákaz kouření, alkoholu, masa).
ÞPouze změnou životního
stylu by bylo možné snížit
výrazně incidenci nádorů
Nádorová onemocnění – prevence
Primární prevence - zábránění vzniku nemoci odstraněním rizik. faktorů
Sekundární prevence - časná detekce nemoci (často v preklin. stadiu), kdy je dostupná
léčba efektivní
Terciární prevence - zabránění rozvoje komplikací při manifestním onemocnění
efektivní léčbou
Dosud převážně omezena pouze na prevenci sekundární – časný záchyt
Karcinom prsu
Palpační vyšetření
Mamografie, sonografie
Nádory děložního čípku
Pap test (Papanicolaoův test)
Kolorektální karcinom
Palpační vyšetření per rectum
Test stolice na okultní krvácení
Kolonoskopické vyšetření
Evropský kodex proti rakovině
1. Nekuřte
2. Mírněte se v konzumaci alkoholu
3. Vyhývejte se nadměrnému slunění
4. Dodržujte zdravotní a bezpečnostní pokyny při práci
5. Často jezte zeleninu a ovoce
6. Vyvarujte se vzniku nadvázy
7. Navštivte lékaře, jestliže objevíte …
8. Navštivte lékaře, jestliže máte přetrvávající potíže
Základní pojmy
Hyperplasie – buňky nezměněné, ale zmnožené
Metaplasie – přechodná změna fenotypu buněk, buňky lokalizované na nesprávném
místě, často v místě, kde se setkávají dva typy epitelu: děložní čípek – děloha; jícen –
žaludek - tzv. Barrettův jícen
Dysplasie – obsahují již cytologicky abnormální buňky (velikost, tvar, barvitelnost jádra,
poměr jádro/cytoplazma, změněná mitotická aktivita) a abnormální poměr buněčných
typů
Nádor, tumor, neoplazma, novotvar je geneticky podmíněný abnormální přírůstek
buněčné tkáňové hmoty klonálního charakteru. Jeho růst není v koordinaci s růstem
okolních tkání a rovnovážným stavem organismu. (Rejthar)
Základní klasifikace nádorových onemocnění
Benigní (nezhoubné) nádory
- zůstávají v místě svého vzniku, jsou ohraničené, neinvadují jiné tkáně, nemigrují a
nezakládají metastázy (polypy, lipomy, chondromy, leiomyom, fibrom,…)
Maligní (zhoubné) nádory
- infiltrují a destruují okolní tkáně a prostřednictvím krevního a lymfatického systému
se šíří do celého těla, v nových tkáních vyvolávají tvorbu sekundárních nádorů
(metastáz) X sekundární nádory (therapy-related)
1. Podle chnopnosF infiltrovat se do jiné tkáně
Karcinomy – nádory epiteliálních buněk (asi 80-90 % lidských nádorů)
Sarkomy – pevné nádory pojivových tkání – svalů, kostí, chrupavky,
tvoří asi 1 % nádorů, z mezenchymálních buněk
Leukémie a lymfomy – odvozené od hematopoetických buněk a buněk imunitního
systému
Neuroektodermální – nádory odvozené z nervové tkáně (gliomy, neuroblastomy,
medulloblastomy,…)
Germinální nádory – odvozené z totipotentní zárodečné buňky
Smíšené nádory
Anaplastické nádory, nádory neznámého původu
(1 až 2 % nádorů) není možné určit z jaké tkáně je nádor odvozen – dediferenciace
Transdiferenciace – EMT (Epitelo-mezenchymální tranzice)
Základní klasifikace nádorových onemocnění
2. Podle typu buněk (tkání), ze kterých nádorová buňká vznikla
karcinom plic, kolorektální karcinom, nádor prsu, akutní myeloidní leukémie…
Základní klasifikace nádorových onemocnění
3. Podle posFženého orgánu
TNM SYSTÉM
T - rozsah primárního nádoru
N - nepřítomnost či přítomnost a rozsah metastáz v regionálních mízních
uzlinách
M - nepřítomnost či přítomnost vzdálených metastáz
T0, Tis – tumor in situ, T1 – nádor ≤2 cm, T2 - >2 cm ≤4 cm, T3 - >4 cm,
T4 – tumor prorůstá do okolní tkáně;
N0, N1 – 1 uzlina ≤3 cm, N2 - ≤ 6 cm, N3 - > 6 cm
M0, M1
Systém je v podstatě „těsnopisem“ pro popis rozsahu určitého
zhoubného nádoru.
T1: malý lokalizovaný nádor, T2: větší, ale ohraničený uvnitř orgánu
T3: nádor na hranici orgánu, T4: nádor, který se lokálně rozšířil do dalších
orgánů
Histopatologická klasifikace nádorových onemocnění
1. Staging - určení rozsahu nádoru neboli klinické pokročilosti onemocnění
G1: dobře diferencovaný nádor s dobrou prognózou
G2: středně diferencovaný nádor s prostřední prognózou
G3: málo diferencovaný nádor se špatnou prognózou
Vychází ze závazných klasifikací, obvykle doporučených WHO. Každá jednotka má přidělen
svůj číselný kód ICDO (International Classification of Diseases for Oncology)
Např. kód 8850/0 je lipom.
Např. kód 8850/6 je metastáza liposarkomu.
První číslo za lomítkem označuje biologické vlastnosti:
Histopatologická klasifikace nádorových onemocnění
2. Grading - mikroskopické určení stupně diferencovanosti nádoru
stanovení stupně ztráty podobnosti nádoru s původní tkání
(jak moc se nádorové buňky podobají normálním buňkám)
3. Typing – morfologická diagnosEka
stanovení histologického typu nádoru
0: benigní
1: nejisté chování
2: carcinoma in situ
3: maligní
6: metastáza
Proces kancerogeneze
Kancerogeneze je vícestupňový proces vzniku a vývoje nádoru
podstatou kancerogeneze je postupné hromadění genetických (a epigenetických) změn
Neoplastická transformace - je přeměna somatické buňky v buňku nádorovou
Klonální model vývoje nádoru: selekce, klonální expanze
Jsou nádory monoklonální nebo polyklonální?
Postupný vývoj nádoru
CHROMOSOM
BUŇKA
TKÁŇ
NÁDOROVÉ
ONEMOCNĚNÍ
ORGANISMUS
Generalizace - metastázy
Nádorový GENOTYP
Nádorový
FENOTYP
Nádor „in situ“
1012
109
1
Klinické
příznaky,
Morfologické
a
laboratorní
známky
Počet buněk Progrese
Maligní transformace
Postupný vývoj nnádoru
Pokud je postižena pouze svrchní
vrstva tkáně, jsou tyto změny
odborně označovány jako
prekancerózní léze děložního
hrdla, cervikální intraepiteliální
neoplazie (CIN) nebo též skvamózní
intraepiteliální léze (SIL).
Histologická skladba nádoru – nádor je komplexní tkáň
Nádorové stroma
• mezenchymální tkáňové
složky: cévní komponenty,
podpůrné mezenchymální
tkáně, lymfocyty, makrofágy,..
• slouží hlavně k výživě
parenchymu a jako kostra pro
uspořádání parenchymu
• transportní úloha (přenos
signálů, rezervoár růstových
faktorů…)
• klíčová úloha při nádorové
angiogenezi a metastázování
Nádorový parenchym
• vlastní nádorově
transformovaný parenchym
Nádory organoidní, nádory histoidní
Hanahan & Weinberg, 2011 Cell, modified
Získané vlastnosti maligního nádoru
Hanahan & Weinberg, 2011 Cell, modified
Získané vlastnosti maligního nádoru
Hanahan & Weinberg, 2011 Cell, modified
Získané vlastnosti maligního nádoru
Kancerogeneze má individuální průběh
Individuální je - pořadí zásahů
- počet zásahů
- konkrétní zasažené geny
Onkogeny
PROTOONKOGENY
(kontrolují růst a diferenciaci buněk)
aktivace ߬mutace,translokace,amplifikace
ß
ONKOGENY
pro růstový pro receptory intracelul. pro transkripční pro
faktor růst.faktorů kinasy faktory transdukční
proteiny
sis erbB-1 src,abl c-myc,L-myc K-ras
erbB-2 N-myc,E 2A H-ras
fms,trk fcs,gli N-ras
net,ros gip
_______________________________________________________
Mutace protoonkogenů
jsou:
- aktivující
- dominantní
-vyskytují se v somatických
buňkách a jen výjimečně
v zárodečných buňkách
Nádorové supresory
TUMOROVÉ SUPRESOROVÉ GENY
(= ANTIONKOGENY)
(účastní se na přenosu signálu mezi buňkami a kontrolují
programovaný zánik buněk)
inaktivace ß ¬mutace,amplifikace
ß
RB p53 DCC APC MCC NF-1 WT-1
Produkty genů pro nádorové supresory (antionkogeny) v normálních buňkách
nevyvolávají proliferaci, ale naopak ji potlačují a udržují buňky ve stadiu klidu
(G0). Jejich ztráta se projevuje neregulovanou proliferací.
Knudsonova „two hits hypothesis“ (RB)
Mutace nádorových supresorů jsou:
- inaktivující
- recesivní (spojeno s LOH) („recesivní onkogeny“)
- vyskytují se v somatických a také v zárodečných buňkách
Onkogenní (nádorové) viry
• Retroviry (RNA viry): obsahují ve svém genomu onkogen (akutně
transformující viry) nebo aktivují protoonkogen, vedle kterého se
integrovaly (pomalu transformující=inzerční mutageneze)
v-onc (virový onkogen)= gen akutně transformujícího retroviru
c-onc (celulární onkogen)= gen vznikající aktivací protoonkogenu, genu normálních
buněk eukaryontů
myc - v. ptačí myelocytomatózy, Ki-Ras – Kirstenův myší sark. v.
erbA – v. ptačí erytroblastózy, kit – kočičí sarkomový v.
• DNA nádorové viry používají jinou strategii transformace: neobsahují
onkogeny, ale kódují proteiny, které interagují s nádorovými supresory
(RB, p53, p300/CBP) hostitelské buňky a tak hostitelskou buňku tlačí
do S fáze:
SV40: velký T antigen různými doménami
interaguje s p53, RB, p300/CBP (objev p53)
adenoviry (EBV, HBV): E1A interaguje s RB a p300/CBP;
E1B interaguje s p53
papilomaviry HPV-16, HPV-18: E6 interaguje s p53, p300/CBP;
E7 interaguje s RB
Vogelsteinuv model vzniku nádorů tlustého střeva
FAP (familiární adenomatózní polypóza) je podmíněna
celou řadou bodových mutací v genu APC, společným
rysem těchto mutací je to, že vedou ke zkrácení proteinu.
APC je spoluzodpovědný za správné dělení buněk.
GeneLcká nestabilita nádorů
• Nádory vznikají postupnou akumulací genetických (a epigenetických) změn
genů, které řídí buněčné dělení, buněčnou smrt a další důležité procesy
v buňce.
• Z výpočtu, který vycházel ze známé mutační rychlosti v somatických buňkách
k takové akumulaci mutací nemůže během lidského života dojít.
Co umožňuje nádorovou transformaci?
• Akumulace všech nutných mutací umožněna genetickou nestabilitou
(tzv. „mutator hypothesis“). Nestabilita je záležitost rychlosti, s jakou
k mutacím dochází
• K akumulaci stačí normální rychlost mutací ve spojení s vlnami
klonální expanze, které mohou být způsobeny pozitivní selekcí buněk
“prenádorových”.
• Většina nádorů je geneEcky nestabilních
1. Nestabilita v sekvenci DNA – NIN a MIN
• Tento typ nestability je u lidských nádorů vzácnější, ale když se vyskytne, má dramatické následky.
Zdrojem nepřesností při replikaci DNA jsou chyby vzniklé při DNA polymeraci (tj. kvalita DNA
polymeráz a souvisejících „proofreadingových“ procesů) a chyby v systémech oprav DNA.
• 1. Nukleotidová excizní oprava („nucleotide-excision repair“ - NER) - s ní spojená nestabilita („NERassociated
instability“ - NIN)
2. Oprava špatného párování („mismatch repair“ - MMR) - s ní spojená mikrosatelitová nestabilita
(MIN)
2. Nestabilita v počtu chromozomů – CIN
Ve srovnání s NIN a MIN jsou ztráty nebo zmnožení celých chromozomů mnohem běžnější a vyskytují se
téměř u většiny nádorů – např. 85% kolorektálních nádorů je vysoce aneuploidních. Běžná je ztráta
chromozomu související s LOH, často je doprovázena získáním opačného chromozomu. Þ Ne vždy
změny karyotypu souvisejí s CIN! Během buněčného cyklu se vyskytuje několik kontrolních bodů, které
monitorují správný postup buněčného dělení. Zatím chybí jednoznačná kriteria k určení genů
odpovědných za CIN a k určení jejich „míry zodpovědnosti“.
Genetická nestabilita nádorů
Poruchy regulace buněčného cyklu
M - kopie DNA jsou separovány;
kondenzované chromozomy
G1 - obsah DNA: 2N
S - replikace DNA; inkorporace značených nukleotidů
G2 - obsah DNA: 4N
G0 - stárnoucí nebo dlouhodobě se nedělící buňky
Ztráta regulace buněčného cyklu je kriqcká součást transformace
Každá fáze cyklu je katalyzovaná specifickými komplexy cyklin-dependentní kinázy a cyklinu.
cyklin-dependentní kinázy (CDK, CDC) – aktivita je závislá na vazbě cyklinu
cykliny - jejich hladina kolísá v závislosti na fázi buněčného cyklu
RB- retinoblastomový gen, nefosforylovaná forma pRB blokuje přestup z G1 do S fáze (E2F)
Fosforylovaná nebo hyperfosforylovaná forma pRB – neaktivní – proliferace
Retinoblastom – maligní nádor retiny, obě alely pRB mutovány nebo deletovány
bod restrikce: klíčový
regulační / rozhodovací bod
buněčného cyklu
Nekróza vs. apoptóza
Nekróza:
týká se skupiny postižených buněk
vyvolána nefyziologickým poškozením
(virová infekce, hypotermie, hypoxie,
metabolické jedy, ..)
fagocytóza makrofágy
významná zánětlivá reakce
Apoptóza –
programovaná buněčná smrt:
postihuje jednotlivé buňky
indukována fyziologickými stimuly
(nedostatek růstových faktorů, změny
hormonálních hladin, ..)
fagocytóza okolních buněk nebo
makrofágy žádná zánětlivá reakce
na rozdíl od nekrózy je popsáno
mnoho příkladů fyziologické apoptózy.
Zvýšená apoptóza
syndrom získané imunodeficience AIDS (CD4+ T-buňky),
neurodegenerativní nemoci (Alzheimerova, Parkinsonova nemoc)
myelodysplastický syndrom (hypercelulární dřeň, periferní cytopenie)
některé autoimunitní nemoci
Suprese apoptózy
Nádory, některá autoimunitní onemocnění, virové infekce
Regulace a průběh apoptózy
Vnější cesta receptorová:
vazbou ligandu na
příslušný receptor smrti
vzniká proapoptotický
signál. Ten vede k aktivaci
domény smrti za
kooperace dalších
proteinů. Cílem je
aktivace prokaspázy 8.
Vnitřní cesta: signalizací např. přes p53 je zahájen apoptoqcký děj, jehož složkou je systém
Bcl-2/Bax, signalizace přes mitochondrie, tvorba komplexu nazývaného apoptozóm a cílem
je akqvace prokaspázy 9.
3 geny Ced3,4,9 kontrolující
apoptózu u C. elegans
13 kaspáz homologů Ced3
Apaf1 homolog Ced4
Bcl2 rodina-17homologů Ced9
supresory apoptózy brání
uvolnění cyt-c z mitochondrií
Regulace a průběh apoptózy – signalizace ATM, p53
ATM = Ataxia telangiectasia mutated
Anti-apoptotické strategie nádorů
Nádory používají
nejrůznější strategie, jak
zmenšit šanci na vstup do
apoptózy. Buď snižují
hladinu/aktivitu
proapoptotických
(modře) proteinů, nebo
zvyšují hladinu/aktivitu
antiapoptotických
(červenohnědě) proteinů.
Nádory a „nesmrtelnost“ buněk, neomezený replikační potenciál
- Telomery – repetitivní sekvence TTAGGG na koncových částech chromozomů
- chrání integritu DNA a stabilitu chromozomů
- Hayflickův limit - maximální počet dělení buňky před jejím zánikem
- Telomeráza
- telomerázová reverzní transkriptáza (TERT)
- telomerázová RNA (TERC)
- 85 – 90 % nádorů má aktivní telomerázu
- K aktivaci telomerázy dochází v pozdních stádiích vývoje nádoru
Význam angiogeneze v rozvoji nádorového onemocnění
Angiogeneze má klíčový význam pro nádorový růst
Rostoucí nádorové ložisko může bez cévního zásobení
dosáhnout pouze velikosti 1-2 mm3
Neoangiogenezi indukuje vzniklá hypoxie
Nerovnováha mezi proangiogenními a
antiangiogenními faktory = „angiogenní switch“
Cílená anLangiogenní léčba
Metastatická kaskáda
• Zvýšení motility (invazivita)
(průnik do stromatu a přes cévní stěnu)
• Vytváření embolů v cirkulaci
• Adherence ke stěně cévy
• Průnik do parenchymu
• Vytvoření metastázy (proliferace v místě,
angiogeneze, odpověď na mikroprostředí)
• Metastázy metastáz
• Nádorová generalizace
Metastasis –related genes (adhezivni molekuly, MMP, proteázové inhibitory, růstové faktory,…)
Deregulace energetického metabolismu buňky
- Warburgův efekt - glykolýza v aerobních podmínkách
- přeměna pyruvátu na kyselinu mléčnou
- zvýšení acidity mikroprostředí
- Energeticky nevýhodné - výrazný nárůst spotřeby glukózy
- 18-fluordeoxyglukóza – pozitronová emisní tomografie (PET)
Únik před imunitním systémem
- Teorie 3E – “elimination, equilibrium, escape”
- Kamufláž
- inhibice prezentace nádorových antigenů
- Sabotáž
- sekrece imunosupresivních faktorů
- prezentace imunosupresivních ligandů
S nádorem asociovaný zánět
- Buňky imunitního systému produkují
růstové faktory, interleukiny, interferony
- podpora nádorového růstu
- Zánět ovlivňuje hladiny ROS a NOS
- poškození DNA
- Zánětlivá onemocnění jako prekancerózy