Postęp w badaniach nad leczeniem nowotworów - najnowsze dokonania światowe Joanna Grabowska III rok Biotechnologii

Skąd w organizmie człowieka biorą się komórki nowotworowe?

… uszkodzenia materiału genetycznego prawidłowej komórki mogą doprowadzić do uniezależnienia się tej komórki od sygnałów wzrostowych oraz wyłączenia programu kontrolowanego samobójstwa, czyli apoptozy. Taka zbuntowana komórka - jeśli nie zostanie zniszczona przez układ odpornościowy- może przekształcić się w komórkę rakową.

Grupa naukowców postanowiła określić, jakie zmiany informacji genetycznej mogą spowodować przemianę zdrowej komórki w komórkę nowotworową. Kluczem do sukcesu okazało się zniszczenie kilku molekularnych mechanizmów obronnych, które chronią prawidłowe komórki przed przemianą w komórki nowotworowe: Po pierwsze, naukowcy wprowadzili do badanych komórek gen kodujący podjednostkę telomerazy (hTERT) - enzymu wydłużającego zakończenia chromosomów. (Komórki człowieka są "zaprogramowane" na określoną ilość podziałów, a rolę molekularnego zegara pełnią telomery - odcinki DNA położone na końcach chromosomów i skracające się po każdym podziale komórki. Kiedy telomery nadmiernie się skrócą, komórka przestaje się dzielić). Telomeraza odbudowuje końce telomerów i w ten sposób zapewnia komórkom nieśmiertelność, czyli możliwość dzielenia się w nieskończoność.

Po drugie, do tych samych komórek wprowadzono specjalne białko wirusowe, tzw. duży antygen T (large T antigen, LT). To białko hamuje aktywność co najmniej dwóch ważnych białek komórki: słynnego "strażnika genomu" (białka p53) oraz białka Rb. Komórki z wyłączonym białkiem p53mają problemy z rozpoznawaniem uszkodzeń DNA, regulacją podziałów i apoptozą,a upośledzenie aktywności białka Rb dodatkowo rozregulowuje mechanizm kontrolujący podziały komórki. Następnie komórki zostały zmuszone do produkcji zmutowanego białka Ras, którego zadaniem było pobudzenie komórek do intensywnych podziałów bez udziału innych sygnałów wzrostowych, np. hormonów. Okazało się, że komórki poddane tym wszystkim manipulacjom zachowują się tak, jak komórki nowotworowe: mnożą się w niekontrolowany sposób, a kiedy zostaną wstrzyknięte myszom laboratoryjnym, tworzą szybko rosnące guzy.

Czym różni się nowotwór „złośliwy” od „łagodnego”…?

NOWOTWORY „ZŁOŚLIWE” : NOWOTWORY „ŁAGODNE” : rosną zwykle wolniej, w sposób uporządkowany; bez naciekania i niszczenia najbliższego otoczenia czy tkanek sąsiednich, a przede wszystkim nie mają zdolności do tworzenia przerzutów; w sytuacji wykrycia nowotworu łagodnego nie stosuje się więc ani chemioterapii ani radioterapii; wystarczającym leczeniem jest chirurgiczne usunięcie guza; Gruczolaki, tłuszczaki, włókniaki, nerwiaki, mięśniaki, oponiaki, naczyniaki, chrzęstniaki, kostniaki NOWOTWORY „ZŁOŚLIWE” : charakteryzują się często dość bezładną, bo niemal niczym nie kontrolowaną proliferacją; naciekaniem macierzystej tkanki, często niszczeniem jej; wykazują skłonność do tworzenia ognisk przerzutowych.

Czy każdy nowotwór jest rakiem…?

Nowotwory złośliwe najczęściej wywodzą się z tkanki nabłonkowej (a dokładnie - ektodermalnej i endodermalnej) -są to raki (łac. carcinoma). Inne nowotwory złośliwe, pochodzące z tkanek nienabłonkowych (pochodzenia mezenchylnego), noszą nazwę mięsaków (łac. sarcoma) i chłoniaków (łac. lymphoma). Cancer genom Komórka rakowa Nazwy rozmaitych raków biorą się z nazw narządów, w których pierwotnie pojawiają się - jak rak płuca/oskrzela, rak przełyku, rak żołądka, rak jelita grubego, rak nerki, rak wątroby, rak trzustki, rak sutka, rak macicy (trzonu i szyjki), rak jajnika

Nowotwory łagodne złośliwe Inne nowotwory złośliwe (chłoniak, białaczka) raki mięsaki Chłoniak - nowotwór układu limfatycznego. Białaczka - nowotwory krwi. nowotwory, które pochodzą ze skóry, płuc, piersi, trzustki i innych narządów. powstaje w kościach, mięśniach, tkance tłuszczowej, chrząstce.

Czy każda komórka nowotworowa jest dla organizmu śmiertelnym zagrożeniem?

Codziennie w naszym organizmie powstają pojedyncze “zmutowane” komórki - potencjalni protoplaści komórek nowotworowych. Są jednak “niegroźne”, gdyż usuwa je sprawnie działający układ immunologiczny. Dopiero splot wyjątkowo niekorzystnych okoliczności może spowodować “lawinę” zdarzeń w wyniku której z pojedynczej komórki powstanie zagrażające organizmowi ognisko nowotworowe.

W jaki sposób choroba nowotworowa zagraża życiu?

komórki nowotworowe nie potrafią się “różnicować”, czyli tworzyć wyspecjalizowanych tkanek i narządów, aby, jak normalne komórki ciała, pełnić niezbędne dla życia funkcje. W tym znaczeniu są bezużyteczne; mają zdolność “migracji” komórkowej, czyli tworzenia “przerzutów” do innych tkanek i narządów. Niektóre z nich wykazują przy tym dużą ekspansywność, tj. zdolność szybkiego “zasiedlania” nowych tkanek i organów. To tak poważnie dezorganizuje funkcje ważnych organów ciała np. płuc, wątroby, szpiku kostnego, krwi, mózgu – że w końcu może zagrażać życiu; dzielące się nieustannie komórki nowotworowe zużywają substancje niezbędne dla życia i funkcjonowania innych komórek organizmu; niektóre komórki nowotworowe mogą także produkować specyficzne substancje chemiczne, które upośledzają i dezorganizują funkcje życiowe zdrowych tkanek i narządów;

Jak uszkodzenia DNA alarmują układ immunologiczny…?

- komórki z uszkodzonym DNA syntetyzują więcej specjalnych białek, umieszczonych na powierzchni komórek; białka są specyficzne do receptorów NKG2D występujących na powierzchni limfocytów NK (natural killer cells) i są używane do oznaczania uszkodzonych komórek do zniszczenia. Występuje ich kilka typów, najbardziej znany jest nazwany Rae1 - receptor NKG2D został też znaleziony na powierzchni limfocytów T , komórki układu odpornościowego odpowiedzialne za długoterminową pamięć immunologiczną. Komórki te są gotowe do rozpoznania i zniszczenia;

Współczesne metody leczenia nowotworów…

Leczenie chirurgiczne Zabieg operacyjny jest w większości chorób nowotworowych najskuteczniejszą formą terapii. Przed podjęciem leczenia w większości przypadków konieczne jest ustalenie rozpoznania histopatologicznego oraz stopnia zaawansowania klinicznego nowotworu. Aby zabieg był skuteczny musi być wykonany tak, żeby usunąć całą zmianę chorobową z marginesem zdrowej tkanki oraz z maksymalną liczbą okolicznych węzłów chłonnych, które mogłyby być siedliskiem pierwszych przerzutów nowotworu. W zaawansowanych przypadkach wykonuje się operacje paliatywne lub stosuje się leczenie skojarzone z radioterapią i chemioterapią.

Radioterapia Wykorzystywane w leczeniu promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje promienie Roentgena i promienie gamma powstające w jądrach izotopów, naturalnych pierwiastkach i aparatach wytwarzających odpowiedni rodzaj promieniowania. Radioterapia jest metodą wykorzystującą promieniowanie jonizujące, które powoduje zmiany w tkance zarówno prawidłowej jak i nowotworowej. W wyniku promieniowania woda ulega radiolizie co prowadzi do powstania wolnych rodników hydroksylowych, hydronadtlenowych, nadtlenku wodoru czy wodoru. Związki te uszkadzają i niszczą aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe oraz enzymy zawarte w komórkach co prowadzi do śmierci komórki. Najbardziej podatne na działanie promieniowania są komórki nowotworowe w okresie podziału komórkowego co jest spowodowane gorszą sprawnością mechanizmów naprawczych eliminujących uszkodzenia popromienne w komórce.

Chemioterapia Powoduje zabijanie lub hamowanie rozwoju komórek nowotworowych. Chemioterapia będąc w całym organizmie atakuje również zdrowe szybko dzielące się komórki. Najbardziej narażone na niepożądany wpływ chemioterapii są komórki szpiku kostnego, błon śluzowych jelit, jamy ustnej, włosy, paznokcie, skóra. Zastosowanie cytostatyków pozwala niekiedy uzyskać wyleczenie w nowotworach zaawansowanych z rozsianymi przerzutami czy tez w przypadku nowotworów układowych. Wśród cytostatyków wyróżnia się leki alkalizujące, antymetabolity, antybiotyki, inhibitory wrzeciona kariokinetycznego oraz inne leki. Leki cytostatyczne działając na komórki zarówno nowotworowe jak i prawidłowe powodują jej uszkodzenie a w konsekwencji śmierć.

Immunoterapia Immunoterapia ma na celu indukcję odpowiedzi immunologicznej u chorego z rozwijającym się nowotworem, aby powstały komórki zdolne do rozpoznania komórek nowotworowych jako obcych a następnie zdolne do ich zniszczenia.

Hormonoterapia Terapia hormonalna jest zazwyczaj lepiej tolerowana niż chemioterapia a jej skuteczność jest uzależniona od ilości receptorów hormonalnych w komórkach guza nowotworowego. Hormonoterapia nowotworów opiera się na podawaniu hormonów lub antyhormonów, które zwalczają powstawanie i rozwój nowotworów (nowotwory sutka, tarczycy, prostaty, białaczki) powstałych z komórek zależnych od działania hormonów.

Pacjent z wyciętym chirurgicznie guzem, leczony dodatkowo chemioterapią powraca po wielu latach ze wznową nowotworu. Dlaczego się tak dzieje?

Zapewnia stały dopływ nowych komórek …czy nowotwory mają komórki macierzyste…? KOMÓRKA MACIERZYSTA: => zdolność do samoodnowy – komórki potomne są dokładnie takie same jak komórka z której powstały, a ilość podziałów jest praktycznie nieograniczona. => zdolność do „produkowania” dojrzałych komórek określonej tkanki – różnicowania; => występują w organizmie tylko w określonych miejscach; => otoczone są przez komórki opiekuńcze, których zadanie polega na utrzymywaniu ich w stanie uśpienia lub, gdy to potrzebne – na pobudzaniu ich do podziałów. Zapewnia stały dopływ nowych komórek

KOMÓRKA POTOMNA: => posiada cechy konkretnej tkanki; =>brak zdolności do samoodnowy; => może się podzielić określoną ilość razy, a gdy wyczerpie limit swoich podziałów umiera; ( apoptoza) => brak zdolności do różnicowania się w komórki innej tkanki;

Skąd jednak się biorą…? NOWOTWOROWE KOMÓRKI MACIERZYSTE: => niezwykłe podobieństwo do komórek macierzystych – zdolność do samoodnowy i nieograniczonych podziałów; Skąd jednak się biorą…? I Hipoteza: Mogą to być zdrowe komórki macierzyste, które jednak zostały pozbawione wpływu komórek opiekuńczych, lub są pod wpływem komórek uszkodzonych. Udowodniono, że komórki macierzyste, które osiadają w tkance wcześniej uszkodzonej promieniowaniem mogą się stać źródłem nowotworu. Być może za przekształcenie w nowotworową komórkę macierzystą odpowiada skumulowanie się kilku mutacji w obrębie DNA wcześniej zdrowej komórki macierzystej; II Hipoteza: Tylko pierwsza mutacja zachodzi w komórce macierzystej, a pozostałe dopiero w powstałych z niej komórkach;

=>Tylko parę procent komórek odpowiada za utrzymywanie się nowotworu i powstawanie przerzutów. =>Pozostałe dzielą się i tworzą rosnącą masę guza, ale bez tych komórek macierzystych szybko wyczerpałyby swój potencjał i poumierałyby. Większość stosowanych leków zabija komórki intensywnie dzielące się. Nowotworowe komórki macierzyste dzielą się rzadko, więc przeżywają i odpowiadają za wznowy nowotworów po teoretycznie skutecznej terapii. Celem terapii powinny być więc komórki macierzyste nowotworu, gdyż pozostałe po pewnym czasie zginą same z siebie.

PERSPEKTYWY LECZENIA: Podstawą terapii nowotworów jest identyfikacja wśród komórek nowotworu komórek macierzystych. Dokonuje się tego badając antygeny na powierzchni komórek nowotworu; Komórki macierzyste nowotworu można odróżnić na podstawie występowania lub braku dodatkowych antygenów na ich powierzchni; Są one odporne na chemioterapię dzięki większej ilości białek odpowiadających za usuwanie leków z komórki; Posiadają też większą ilość białek wiążących rodniki tlenowe, co czyni je odpornymi na radioterapię; Jedną z metod jest blokowanie odpowiednimi lekami szlaków metabolicznych prowadzących do syntezy tych białek, a następnie zastosowanie klasycznych metod leczenia.

W przyszłości…

=> Komórki macierzyste Ukierunkowanie rozwoju ludzkich embrionalnych komórek macierzystych w celu uzyskania komórek NK „Naturalnych zabójców”; (komórki układu odpornościowego pełniące ważną rolę w walce z nowotworami); leczenie białaczki i chłonniaka

Wirusoterapia Wirusoterapia to metoda terapeutyczna polegająca na wykorzystaniu wirusów w celu leczenia chorób człowieka i zwierząt. Dzięki zastosowaniu genetycznej modyfikacji wybranych wirusów z rodziny Adenoviridae otrzymano wirusy wykazujące znaczne powinowactwo do komórek nowotworów: poprzez modyfikację białek powierzchniowych wirusa odpowiedzialnych za jego wiązanie się do komórki gospodarza; umieszczenie ważnych dla jego replikacji białek pod kontrolą promotora, z którego ekspresja zachodzić będzie jedynie w zmienionych chorobowo tkankach; Za pomocą wirusów można dostarczyć do komórki transgen kodujący białko o działaniu przeciwnowotworowym;

Nanocząsteczki => Ze względu na bardzo małe rozmiary potrafią z krwią dotrzeć do prawie wszystkich miejsc w naszym organizmie; => Stworzono nanocząsteczki , które wykrywają receptory znajdujące się na powierzchni komórek guza nowotworowego i odżywiających go naczyń krwionośnych, a potem przyłączają się do nich(receptory te nie występują na pozostałych naczyniach organizmu); Jego głównym elementem są cząsteczki tlenu żelaza o wielkości 50 nm; każda z nich jest pokryta 8 tys. cząsteczek peptydu (to właśnie ten peptyd nazwany CREKA ma unikalną zdolność rozpoznawania i przyłączania się do receptorów znajdujących się na powierzchni guza); natychmiast tworzą zakrzep, który stopniowo zamyka naczynia; wysyłają sygnał do innych nanocząsteczek i „przyzywają” je do miejsca walki z rakiem; bezbłędnie rozpoznają guz; mają w przyszłości być wyposażone w świecące barwniki – pozwalając na zlokalizowanie miejsca, w którym choroba się rozwija, planowane jest również dodanie do nanocząsteczek leków przeciwnowotworowych;

Przeciwciała monoklonalne PRZECIWCIAŁA MONOKLONALNE - zbiór przeciwciał, które wykazują jednakową swoistość względem danego antygenu i ewentualnie takie samo lub podobne powinowactwo są to cząsteczki otrzymywane z udziałem zwierząt laboratoryjnych, których zadaniem może być m.in. identyfikacja komórek nowotworowych; obiecującym rozwiązaniem stało się wiązanie przeciwciał monoklonalnych z różnymi związkami chemicznymi. Takimi dodatkami mogą być np. leki, enzymy, toksyny, radioizotopy; badania pokazują, że użycie przeciwciał monoklonalnych w połączeniu z określonymi substancjami przynosi pożądane efekty i wspomaga terapię antynowotworową.

Angiogeneza nowotworowa Brak wzbudzenia angiogenezy Kluczowy gen angiogenezy… Angiogeneza - to proces nowotworzenia naczyń krwionośnych. Zachodzi ona głównie w życiu płodowym, kiedy rozwija się układ krwionośny. Jest odpowiedzią na niedostateczne dotlenienie tkanki i często zachodzi podczas procesów nowotworowych. Angiogeneza nowotworowa Brak wzbudzenia angiogenezy

Kluczowy gen angiogenezy… => zidentyfikowanie genu RGS5, odpowiedzialnego za rozwój naczyń krwionośnych stanowiących układ krążenia guza, czyli za proces angiogenezy; =>usunięcie genu prowadzi do zmian w nowotworowych naczyniach krwionośnych, co ułatwia przepływ przez nie komórek układu odpornościowego; => usunięcie genu z komórek nowotworowych powoduje zahamowanie procesu tworzenia naczyń krwionośnych; => jego działanie dotyczy jedynie komórek rakowych i pozostaje obojętne dla zdrowych tkanek organizmu => usunięcie tego genu u myszy powodowało normalizowanie budowy naczyń, stawały się one podobne do pozostałych naczyń organizmu. Zmiany umożliwiały swobodny przepływ komórek układu odpornościowego do wnętrza guza. Dzięki temu mogły one niszczyć komórki nowotworowe, co znacznie zwiększało szanse zwierząt na przetrwanie. Limfocyt T (żółty) atakujący komórkę nowotworową

Bakterie onkolityczne w terapii nowotworów obligatoryjnie lub fakultatywnie beztlenowe bakterie kolonizują preferencyjnie w obrębie guzów litych. Wynika to z różnic fizjologicznych między tkanką zdrową a nowotworową. Sieć naczyń krwionośnych w tej ostatniej jest kręta i nieregularna, gdyż proliferecja zmutowanej tkanki wyprzedza angiogenezę. Sprzyja to tworzeniu obszarów niedotlenowanych i nekrotycznych, czyli środowiska optymalnego dla wspomnianych bakterii; ponieważ hipoksja jest cechą odróżniającą tkankę nowotworową od zdrowej, można zjawisko to wykorzystać w terapii; jednymi z lepiej poznanych bakterii onkolitycznych są obligatoryjnie beztlenowe laseczki z rodzaju Clostridium oraz bakterie fakultatywnie beztlenowe Salmonella typhimurium; wykorzystywane są jako nośniki terapeutycznych genów; Salmonella typhimurium

=> Strategia polega na wklonowaniu do bakterii genów samobójczych, kodujących enzymy przekształcające nieaktywny, nieszkodliwy prolek w substancję cytotoksyczną. Pacjentowi podaje się najpierw bezpieczną dawkę bakterii, które kolonizują obszar nowotworowy, namnażają się i eksprymują heterologiczne białko - odpowiedni enzym. Następnie wstrzykuje się nietoksyczny prolek, który zostaje przekształcony do aktywnej, cytotoksycznej formy tylko w obszarze nowotworu, gdyż tam znajdują się bakterie produkujące odpowiedni enzym; => innym podejściem jest modyfikowanie bakterii tak by produkowały cytokiny (np. TNFα) zwiększające wrażliwość guza na radiację i/lub wywoływały odpowiedź immunologiczną gospodarza; Clostridium

Mechanizmy lekooporności komórek nowotworowych odkryto mechanizm, który powoduje, że podczas terapii chemioterapeutykami następowała mutacja w białku ABCG2; konsekwencją mutacji była możliwość transportu różnych leków antynowotworowych z rodziny antagonistów kwasu foliowego na zewnątrz komórki nowotworowej. (Leki te używane są w zapobieganiu wzrostom różnych rodzajów nowotworów tj. rak piersi, rak jelita grubego, białaczka czy raka płuc). W efekcie tego mechanizmu komórki unikają działania leków i stają się lekooporne co prowadzi do rozwoju choroby nowotworowej; mutacja powoduje zmianę aminokwasu co z kolei zmienia strukturę białka ABCG2, które jako zmutowane zachowuje się jak „pompa” pompująca na zewnątrz leki antynowotworowe. Zmutowane białko ABCG2 wyrzucają na zewnątrz leki i powoduje, że nowotwór jest 6 tysięcy razy bardziej odporny na działanie chemioterapeutyków; Naukowcy już pracują nad metodą, która pozwoli na zapobieganie występowaniu mutacji w białku.

Dziękuje za uwagę 