Karcinogeneza

Karcinogeneza jest procesem wielostopniowym. Zwykle ma miejsce szereg zaburzeń DNA pod postacią aktywacji kilku protoonkogenów, którym towarzyszy utrata funkcji kilku genów supresorowych. Z każdą z tych zmian DNA komórka zyskuje nowe cechy, które wspólnie konstruują fenotyp komórki transformowanej. A zatem w powstaniu i przebiegu nowotworu bierze udział szereg różnych zmutowanych genów. Mogą one ze sobą współpracować. Np. w procesie transformacji nowotworowej fibroblastów oncogen ras pobudza  komórki do wydzielania czynników wzrostu natomiast myc unieśmiertelnia komórki uczulając je na te czynniki. Stosunkowo dobrze poznane pod tym względem są molekularne zmiany zachodzące w jelicie grubym na drodze od normalnego nabłonka poprzez adenoma aż do carcinoma. Typowe etapy w patogenezie raka jelita grubego przedstawia ryc 8.33. Mamy tu do czynienia z procesem wieloetapowym, który rozpoczyna się inaktywacją genu supresorowego APC, następnie dochodzi do aktywacji protoonkogenu K–ras, po czym następuje inaktywacja innych genów supresorowych m.in. p53. Na początku tej kaskady wydarzeń molekularnych stoi inaktywacja APC (mutacja APC występuje już w gruczolakach), która uruchamia bezpośrednio proces transformacji nowotworowej.

W rozwoju nowotworu złośliwego wyróżnić można cztery etapy. Pierwszym jest inicjacja transformacji nowotworowej komórki, następnie niekontrolowana proliferacja i klonalny rozrost komórek zainicjowanych. W trzecim etapie komórki nowotworowe naciekają podścielisko i w końcu dają odległe przerzuty. Etap drugi czyli wzrost guza (stymulowany przez promotory) zależy głównie od kinetyki komórek nowotworowych oraz angiogenezy. Ostatnie dwa etapy, które nazywamy  progresją są wynikiem heterogenności guza.

Inicjacja transformacji nowotworowej

Białka kodowane przez geny biorące udział w karcynogenezie są zlokalizowane w różnych miejscach komórki

Lokalizacja i funkcja czynników kodowanych przez cztery główne grupy genów biorących udział w karcynogenezie.

Czynniki zewnątrzkomórkowe

• czynniki wzrostu
• PDGF, FGF

Białka błony komórkowej

• receptory czynników wzrostu
• EGFR, CSF-1R
• receptory czynników hamujących wzrost
• TGF-bR
• cząsteczki adhezyjne
• kadheryna

Białka podbłonowe

• przekaźniki sygnału
• ras
• inhibitory przekaźników sygnału

• NF-1

Cytozol

• infibitory przekaźników sygnału

APC

• aktywatory transkrypcji
• b-katenina

Cytoszkielet

NF-2

Mitochondria

• Regulatory apoptozy
• bcl-2

Jądro

• Regulatory cyklu komórkowego

Rb, p53, p16, cykliny, CDK

• Regulatory apoptozy
• bcl-2, p53
• Naprawa DNA
• hMLLH1, hMSH2, BRCA-1, BRCA-2
• Czynniki transkrypcyjne
• myc, fos, myb, jun

Białka kodowane przez protoonkogeny oznaczone są kolorem czerwonym, przez geny supresorowe – zielonym, przez geny regulujące apoptozę żółtym i przez geny naprawcze DNA – niebieskim

W procesie inicjacji komórka nabywa zmiany (mutacje) w DNA. Zmiany w DNA komórki mogą być wywołane przez czynniki chemiczne (inicjatory), wirusy onkogenne, promieniowanie jonizujące lub nadfioletowe. W przypadku czynników chemicznych reaktywe (elektrofilne tzn. reagujące z miejscami bogatymi w elektrony) formy karcynogenów tworzą wiązania kowalencyjne z zasadami DNA i powstają tzw. addukty. Obecność adduktów uruchamia proces naprawy DNA. Jeżeli naprawa jest nieudana dochodzi do apoptozy komórki lub do mutacji, która może być utrwalona po następnym podziale mitotycznym.

Działanie promieniowania jonizującego wywołuje niestabilność genetyczną, mutacje punktowe lub większe aberracje chromosomowe. UVB również działa mutagennie. Wirusy wbudowują v-onc do DNA komórki. Wywołane przez w/wym czynniki zmiany DNA zostają utrwalone jeżeli nastąpi przynajmniej jeden podział mitotyczny. Komórka z taką permanentną zmianą DNA jest komórką zainicjowaną. Powstałe mutacje mogą dotyczyć protoonkogenów albo genów supresorowych albo regulujących apoptozę lub genów regulujących naprawę DNA. Mutacje te oraz działanie promotorów (niektóre mutacje również spełniają funkcje promotora np. mutacja p53 w karcynogenezie raka jelita grubego w polipowatości rodzinnej) indukują proliferację zainicjowanych komórek. Dochodzi do niekontrolowanej proliferacji, następnych mutacji i ostatecznie do niestabilności genetycznej (szczególnie gdy występują mutacje genów regulujących naprawę DNA).

Wydaje się, że kolejność następujących po sobie mutacji odgrywa rolę w karcynogenezie. Jeżeli pierwszym wydarzeniem jest inaktywacja genu w rodzaju APC (geny te nazywane są w jęz. ang. gatekeeper genes czyli „geny klucznikowe”) to u osób, które odziedziczyły (w komórkach rozrodczych) taką mutację występuje ona w jednym allelu każdej komórki. Potrzeba tylko dodatkowej inaktywacji (mutacji) drugiego allelu (drugi “hit” wg Kundsona) w komórce somatycznej i następuje inicjacja transformacji nowotworowej. Przyjmuje się, że gatekeeper genes są specyficzne dla różnych typów komórek. Dlatego w przypadku odziedziczonej obecności mutacji takiego genu w jednym allelu każdej komórki organizmu, po inaktywacji drugiego allelu nowotwory występują tylko w tej tkance, dla której dany gen jest specyficzny np. retinoblastoma (w siatkówce oka) gdy inaktywacji ulega Rb, carcinoma coli gdy APC, carcinoma renis gdy VHL.

Natomiast gdy odziedziczona mutacja dotyczy tzw. genów opiekuńczych (ang. caretaker genes) jakimi są np. geny mutatorowe odpowiedzialne za naprawę błędnie sparowanych zasad DNA (np. hMSH, hMLH, prawdopodobnie również BRCA-1 i BRCA-2) wtedy dla zapoczątkowania transformacji nowotworowej potrzeba 3 następujących po sobie mutacji somatycznych tzn. mutacji drugiego allelu genu mutatorowego oraz mutacji obydwu alleli genu klucznikowego. Inaktywacja genów mutatorowych nie inicjuje transformacji nowotworowej tylko zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia mutacji w gatekeeper genes oraz w innych genach. Z powyższego wynika, że większe ryzyko wystąpienia nowotworu mają osoby z wrodzoną mutacją jednego allelu „genu klucznikowego”.

Zmiany związane z progresją nowotworową

Końcową fazą transformacji nowotworowej jest progresja czyli stopniowo narastające „zezłośliwienie” komórek nowotworowych związane z wzrastającą w populacji tych komórek niestabilnością genetyczną, selekcją klonów komórek zdolnych do niezależnego ( od czynników wzrostu oraz od regulacji hormonalnej i parakrynnej) wzrostu, angiogenezy i naciekania okolicznych tkanek i błon podstawnych. Niestabilność genetyczna stransformowanych komórek jest najprawdopodobniej wynikiem mutacji genów opiekuńczych (które nie mogą już sprawnie naprawiać błędów replikacji DNA) a także mutacji genu p53. W czasie

klonalnej ekspansji liczba mutacji rośnie, mogą one występować w onkogenach, genach supresorowych i innych ważnych dla proliferacji i różnicowania genach. Jednocześnie odbywa się klonalna selekcja: część komórek zostaje zniszczona przez układ immunologiczny, inne giną w wyniku letalnych mutacji.

Rozchwianie i dezorganizacja genomu komórek nowotworowych jest źródłem heterogenności fenotypowej komórek tworzących nowotwór złośliwy. Jest on zbudowany z subpopulacji (klonów) komórek, które różnią się znacznie stopniem proliferacji, zdolnością do indukowania angiogenezy, naciekania, wzrostu w niekorzystnych warunkach (przy znacznie zmniejszonej ilości czynników wzrostu), wreszcie również zdolnością do dawania przerzutów oraz podatnością na hormono-, chemio-, i radioterapię. Liczne mutacje i aberracje chromosomalne prowadzą do aneuploidii. Akumulujące się w różnych komórkach nowotworowych mutacje powodują, że w procesie progresji powstają klony komórek o różnych cechach na poziomie molekularnym i na poziomie fenotypu morfologicznego i czynnościowego. Chociaż więc nowotwór powstaje z jednej komórki to gdy osiągnie wielkość dostrzegalną klinicznie jest już zbudowany z mozaiki subklonów komórkowych o różnych cechach i właściwościach. To właśnie nazywamy heterogennością nowotworu złośliwego. Na poziomie morfologicznym heterogenność ta manifestuje się polimorfizmem komórkowym: nie ma dwóch takich samych komórek nowotworowych! Niektóre klony uzyskują duży stopień proliferacji wskutek wydzielania autokrynnie działających czynników wzrostu. W innych komórkach geny kodujące enzymy proteolityczne (np. katepsynę D lub kolagenazę IV) ulegają ekspresji m.in. ułatwiając naciekanie błon podstawnych i podścieliska. Komórki prawidłowe w zetknięciu z peptydami wydzielanymi przez komórki nowotworowe wydzielają czynniki zwiększające inwazyjność komórek nowotworowych. Ostatecznie wraz ze wzrostem guza, selekcja klonalna prowadzi do przetrwania tych subpopulacji komórkowych, które posiadają cechy umożliwiające im wzrost, naciekanie i dawanie przerzutów.

Proces powstania i wzrostu nowotworu ma przebieg wieloletni a jego ostatnim etapem jest stosunkowo krótka faza kliniczna. W wieloetapowym procesie karcynogenezy występują fazy inicjacji, promocji i progresji. Należy zdać sobie sprawę z tego, że zanim nowotwór złośliwy osiągnął rozmiary umożliwiające jego wykrycie rozwijał się on już przez długi okres czasu w tzw. fazie utajenia. Czas utajenia może być różny od kilku lat w przypadku białaczek u ludzi po wybuchu bomby atomowej do 20 a nawet 30 lat u  ludzi narażonych na chemiczne czynniki rakotwórcze. Gdyby po pierwszym podziale komórki stransformowanej, wszystkie komórki potomne dzieliły się nadal, wówczas po około 30 podziałach w ciągu 90 dni (długość cyklu komórkowego – 3 dni) powstałby guz o masie ok. 1g, w którym byłoby ok. 10⁹ komórek nowotworowych. Jednakże tzw. frakcja wzrostu (czyli odsetek komórek będących w cyklu komórkowym) w miarę rozwoju guza zmniejsza się. W większości guzów dostępnych badaniu większość komórek nowotworowych znajduje się w fazie G₀ lub G₁, część ulega różnicowaniu (i przestaje się dzielić) wreszcie część ulega martwicy i apoptozie (gdy sieć naczyń nie nadąża za rozwojem guza i brakuje składników odżywczych). Wbrew powszechnemu przekonaniu, w nowotworach złośliwych człowieka frakcja wzrostu przekraczająca 30% należy do rzadkości. W nowotworze złośliwym mamy więc trzy populacje komórek: komórki proliferujące (w cyklu komórkowym) komórki w fazie stacjonarnej (zatrzymane w G₀ lub G₁) oraz komórki obumierające (martwica, apoptoza). Od stosunków ilościowych między nimi zależy szybkość wzrostu guza. Guz rośnie gdy liczba komórek proliferujących przewyższa pozostałe. Np. raki przewodowe sutka wykazujące III stopień złośliwości histopatologicznej, które mają frakcję wzrostu ok. 30% rosną szybko. Inne raki sutka np. raki śluzowe (carcinoma mucinosum) rosną bardzo powoli, przez wiele lat, a ich frakcja wzrostu wynosi zaledwie kilka procent, niekiedy poniżej jednego procenta. Raki drobnokomórkowe płuca maja wysoką frakcję wzrostu i rosną szybko. Natomiast niektóre raki jelita grubego mają niską frakcję wzrostu i rosną bardzo powoli. Tak więc, okres utajenia nowotworu złośliwego będzie różny w różnych guzach ale najprawdopodobniej jest to przynajmniej kilka lat. Również od momentu kiedy guz jest klinicznie widoczny objętość guza podwaja się w różnym tempie np. w większości raków płuc mniej więcej co 2 – 3 miesiące a w niektórych guzach ślinianek co 12 miesięcy. Grupa komórek nowotworowych może rosnąć tylko do średnicy ok. 1 – 2 mm. W większych gniazdach rozwija się niedotlenienie, które prowadzi do apoptozy poprzez aktywację p53. Dlatego do dalszego wzrostu guza potrzebne jest unaczynienie.

Angiogeneza. Komórki nowotworu złośliwego posiadają zdolność indukowania angiogenezy (czyli tworzenia nowych naczyń włosowatych) za pomocą licznych czynników angiogenych. Do najważniejszych z nich należą VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor – czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego) oraz bFGF (basic Fibroblast Growth Factor – zasadowy czynnik wzrostu fibroblastów). Można je wykazać nie tylko w komórkach nowotworowych ale również podwyższony poziom tych czynników występuje w surowicy krwi i w moczu chorych z niektórymi nowotworami złośliwymi. Czynniki te mogą też być wydzielane przez makrofagi naciekające guz. Powstałymi naczyniami, tlen i składniki odżywcze zostają dostarczone do guza, umożliwiając mu rozwój. Dodatkowo komórki śródbłonka wydzielają polipeptydy takie jak IL-1, GM-CSF lub PDGF lub insulino-podobny czynnik wzrostu, które stymulują komórki rakowe do dalszego wzrostu. Wreszcie, drogą naczyń krwionośnych komórki rakowe mogą dawać odległe przerzuty. Tak więc angiogeneza jest istotnym elementem progresji nowotworu złośliwego.

Komórki nowotworowe mogą też produkować czynniki antyangiogenne (np. trombospondynę 1) lub mogą stymulować inne komórki do wydzielania takich czynników jak angiostatyna (z plazminogenu) lub endostatyna (z kolagenu) o podobnym, antyangiogenym, działaniu. Stopień angiogenezy zależy więc od stosunku czynników angiogennych do antyangiogennych. Mutacja obu alleli p53, który w prawidłowych komórkach indukuje syntezę trombospondyny 1, powoduje obniżenie poziomu tego czynnika stymulując angiogenezę. Raki przedinwazyjne (carcinoma in situ) rosną niekiedy przez kilka lat bez naczyń krwionośnych, pozostając tylko w nabłonku. Dopiero po przekroczeniu błony podstawnej nabłonka i nacieczeniu podścieliska dochodzi w części komórek rakowych albo do utraty inhibitora angiogenezy albo do wzmożonej produkcji czynników angiogennych.

Naciekanie i przerzuty (invasio et metastasis). Nie każdy nowotwór złośliwy, nawet gdy jest klinicznie widoczny (tzn. ma średnicę powyżej jednego cm) musi już zawierać subpopulacje komórek zdolne do przerzutowania, ponieważ tylko niektóre klony posiadają odpowiednią kombinację produktów białkowych genów, która umożliwia przerzutowanie. Niektóre raki sutka (np. carcinoma mucinosum) nie dają przerzutów nawet gdy guz ma średnicę 1 – 2 cm. Wycięcie takiego guza może prowadzić do całkowitego wyleczenia co jest pośrednim dowodem wskazującym, że guz pierwotny nie zawierał subpopulacji komórek zdolnych do przerzutowania (chociaż nie można całkowicie odrzucić możliwości, że zostały one zniszczone przez sprawne mechanizmy przeciwnowotworowe).  Z drugiej strony w większości innych nowotworów złośliwych np. w carcinoma microcellulare pulmonis lub osteosarcoma subpopulacje zdolne do przerzutowania są już obecne w guzie w momencie ustalenia rozpoznania.

Na etapie progresji nowotworu złośliwego, w wyniku mechanizmów selekcji i adaptacji dochodzi do powstania subpopulacji komórek nowotworowych o określonych właściwościach biologicznych (np. cechujących się zdolnością do dawania przerzutów). Niestety w mikroskopie świetlnym komórki nowotworu złośliwego charakteryzują się zespołem tych samych cech zwanych cechami złośliwości tak, że nie można powiedzieć (na podstawie obrazu histologicznego guza pierwotnego) czy są w nim obecne subpopulacje zdolne do przerzutowania. Prowadzone obecnie badania na poziomie immunocytochemicznym i molekularnym zmierzają do określenia tych cech. Dlatego ogromny wysiłek badawczy jest obecnie zogniskowany na badaniu tzw. czynników prognostycznych czyli takich cech komórek nowotworowych guza pierwotnego, które m.in. mogłyby być związane ze zdolnością do przerzutowania.

Klon komórek nowotworowych który posiada odpowiednią kombinację produktów genów, które umożliwiają przerzutowanie ma, na szczęście dla chorych z nowotworami złośliwymi, bardzo trudną i najeżoną przeszkodami drogę do pokonania zanim uda mu się uwolnić z ogniska pierwotnego i przenieść w inne miejsce w organizmie dając początek zmianie przerzutowej. Komórki nabłonkowe, które uległy transformacji nowotworowej np. w sutku, rosną najpierw w postaci raka przedinwazyjnego (carcinoma in situ) ściśle związane ze soba cząsteczkami adhezyjnymi (np. E–kadherynami) i otoczone błoną podstawną przewodu. Muszą one najpierw uwolnić się („wyluzować się”) od tych połączeń (poprzez np. zmniejszoną ekspresję E–kadheryn) zmniejszając adhezyjność między sobą. Następnie przyczepiają się do błony podstawnej za pomocą receptorów lamininy  znajdujących się na powierzchni komórek rakowych. Im większa inwazyjność komórek tym większa gęstość tych receptorów. W zależności od typu komórek nowotworowych również integryny mogą być wykorzystane jako receptory dla lamininy, fibronektyny i kolagenu macierzy pozakomórkowej. W trzecim etapie komórki nowotworowe muszą przeciskać się między składnikami błony podstawnej i macierzy pozakomórkowej podścieliska. W tym celu same wydzielają enzymy proteolityczne (lub pobudzają makrofagi i fibroblasty do tej aktywności), które rozkładają składniki błony podstawnej lub macierzy pozakomórkowej. Do enzymów tych należą metaloproteinazy np. kolagenaza typu IV (MMP-2), katepsyna D oraz urokinazowy aktywator plazminogenu. Kolagenaza typu IV trawi kolagen typu IV znajdujący się w błonach podstawnych. Za jej istotną rolą przemawia podwyższony poziom tego enzymu w komórkach naciekających nowotwór złośliwy oraz możliwość zahamowania występowania przerzutów u zwierząt transgenicznych zawierających gen inhibitora metaloproteinaz. Pozostałe dwa wymienione powyżej enzymy rozkładają fibronektynę, lamininę oraz białka proteoglikanów (obecne w macierzy pozakomórkowej). Wykazano związek wysokiego poziomu katepsyny D w komórkach rakowych i w surowicy krwi ze złym rokowaniem w raku sutka. (Komórki rakowe mogą również dawać przerzuty z gniazda komórek już naciekających podścielisko i nie otoczonych błoną podstawną. W takim przypadku komórki „wyluzowują się” jak opisano powyżej i przyczepiają bezpośrednio do składników macierzy pozakomórkowej).

Niszcząc macierz pozakomórkową komórki nowotworowe migrują w kierunku naczyń chłonnych lub krwionośnych. W tej podróży pomagają im produkty rozpadu kolagenu i proteoglikanów, które stymulują angiogenezę i proliferację komórek nowotworowych oraz mają działanie chemotaktyczne. Jednocześnie komórki nowotworowe wydzielają autokrynnie działające czynniki stymulujące ich ruchliwość np. tymozynę b15 lub czynnik wzrostu hepatocytów (którego receptor jest kodowany przez protoonkogen met). Teraz pozostaje tylko degradacja błony podstawnej naczynia włosowatego i komórki nowotworowe znajdują się w świetle naczynia gdzie z prądem krwi mogą być roznoszone do odległych narządów. We krwi komórki nowotworowe tworzą grupy (zwiększona ekspresja cząsteczek adhezyjnych), do których przyczepiają się komórki krwi a szczególnie płytki krwi. Takie grupy komórek wędrują z prądem krwi, przyczepiają się do śródbłonka, migrują przez ścianę naczynia i błonę podstawną i dają początek ognisku przerzutowemu. W tych procesach znowu biorą udział receptory lamininy, integryny oraz enzymy proteolityczne. Wykazano, że zwiększona ekspresja cząsteczki adhezyjnej CD44 na komórkach rakowych może mieć związek z tendencją do występowania przerzutów. Trzeba jeszcze dodać, że w czasie pobytu komórek rakowych w świetle naczynia czyhają na nie komórki efektorowe układu immunologicznego.

Miejsce występowania przerzutów częściowo zależy od anatomicznego umiejscowienia ogniska pierwotnego gdyż grupy komórek rakowych mogą zatrzymać się w pierwszej napotkanej sieci naczyń włosowatych np. przerzuty raków narządów przewodu pokarmowego często występują w wątrobie. Ale możliwe są i inne mechanizmy. Np. na powierzchni komórek śródbłonka w narządzie docelowym mogą znajdować się ligandy, które wiążą się z cząsteczkami adhezyjnymi na powierzchni komórek nowotworowych. Lokalne warunki mogą  uniemożliwiać komórkom rakowym zagnieżdżenie się w danym narządzie i dlatego osiedlają się w innych miejscach. Na istnienie mechanizmów ułatwiających kolonizację pewnych narządów przez przerzuty z określonych ognisk pierwotnych wskazują obserwacje kliniczne. Wiadomo, że raki gruczołu krokowego, nerki lub raki pęcherzykowe tarczycy „lubią” dawać przerzuty do kości a ponad 50% raków płuc daje przerzuty do nadnerczy.

Ekspresja niektórych genów, tzw. genów supresorowych przerzutowania może mieć związek z właściwościami tworzenia przerzutów. Prawdopodobnym kandydatem jest gen nm23. Wprowadzony do komórek nowotworowych powoduje on zniesienie zdolności do dawania przerzutów. Jest on nieaktywny w nowotworach z licznymi przerzutami (np. w rakach sutka z licznymi przerzutami stwierdza się niski poziom białka kodowanego przez nm23)), natomiast występuje w postaci aktywnej w nowotworach złośliwych bez przerzutów lub z pojedynczymi przerzutami. Jednak wyniki badań klinicznych różnych nowotworów człowieka nie są jednoznaczne stąd dokładne określenie roli nm23 pozostaje kwestią otwartą.

Opisano jeszcze dwa inne prawdopodobne supresorowe geny przerzutowania, obydwa zlokalizowane na chromosomie 11. KAI–1, który hamuje przerzuty w raku gruczołu krokowego i KiSS–1 w melanoma malignum.

Odwiedzający wpisali takie problemy: