BIOLOGIJA RAKAVE CELICE IN ZNAČILNOSTI RASTI TUMORJEV Gregor Serša, Srdjan Novakovič RAST IN RAZVOJ CELIC V ORGANIZMU Delitev, diferenciacija in umiranje celic v zdravem organizmu so skrbno regulirani procesi, ki so v harmoničnem sožitju s potrebami organizma. Tako stanje ohranja cela vrsta regulatornih mehanizn1ov, na katere se nor­ malne celice odzivajo, tako da se prenehajo deliti, ko ni več potrebe, posta­ jajo vse bolj diferencirane in opravljajo specifične funkcije v posameznih organih ter odmirajo na kontroliran način ko so opravile svojo nalogo. Rakava celica (maligno transformirana celica) lahko nastane iz različnih celic v organizmu. Osnovne značilnosti rakavih celic so, da v nasprotju z normalnimi celicami rastejo nekontrolirano, se lokalno vraščajo v normal­ na tkiva in tvorijo zasevke ali metastaze v oddaljenih organih (Tabela 1). Razvoj novih tehnik, predvsem molekularnih, je v zadnjih letih veliko pri­ pomogel k razumevanju biologije rakavih celic. Vedno več vemo o spre­ membah, ki nastajajo v celici pod vplivom dejavnikov, ki povzročajo njiho­ vo maligno transformacijo. Vedno bolje razumemo, kateri regulatorni mehanizmi so spremenjeni ali okvarjeni v rakavi celici. Vsa ta spoznanja nam teoretično omogočajo razne posege na rakavih celicah z namenom, da nastale spremembe popravimo in celice naredimo zopet normal­ ne. Dokler tega še ne moremo narediti, se soočamo s problemom rastočih tun10rjev v organizmu in z raznimi načini zdravljenja, s katerimi tumorske celi­ ce predvsem odstranjujemo ali jih pobijamo. Pri takih postopkih je pomembo odstraniti vse rakave celice, kajti samo tako lahko bolezen premagamo. Tabela 1: Nekatere značilnosti maligno tran.iformiranih celic Spremeni se odzivnost na intracel ulame in ekstracelulame si gn ale, ki nadzorujejo: - delitev celice - diferenciacijo celic - celično smrt Pref. d1: G reg or Serša, univ. dipl. biolog, d,: Srdjan No1Jak01Jif, univ. dipl. biolog, Onkološki inštitut Ljubljana 12 VRSTE TUMORJEV Rak lahko nastane iz različnih celic, zato poznamo več kot 200 različnih vrst raka. Pomembno je poudariti, da vsak tumor ni rak in da v osnovi razliku­ jen10 benigne in maligne tum01je. Benigni tumorji rastejo omejeno v tki­ vih, Iger so prvotno nastali. Maligni tumorji pa se vraščajo v zdrava tkiva in prehajajo v oddaljena tkiva po cirkulatornih poteh (hernatogeni, limfoge­ ni zasevki), kjer tvorijo zasevke oziroma metastaze (Tabela 2). Tabela 2: Nekatere značilnosti ben(<{nili in malignih tumorje1J Benigni tum01ji: počasna rast, visoka stopnja celične diferenciacije, celice podobne normalnemu tkivu, kapsula tum01ja iz vezivnega tkiva, ne metastazirajo. Maligni tumorji: hitra rast, pretežno slabo diferencirane celice, brez čvrste tumorske kapsule, povečana količina DNK- poliploidija, invazivna rast v plasteh (brez kontaktne inhibicije), odluščanje posameznih celic in rast v drugih organih - metastaziranje. Glede na patohistološko diferenciacijo rakavih celic oziroma glede na nji­ hov videz delimo tumorje na: epitelne tum01je - karcinome, tum01je vezivnega tkiva sarkome in tumorje nastale iz krvnih celic - limfome. Običajno so maligni tum01ji slabše diferencirani od normalnih celic, iz katerih so nastali. Ločimo slabo in dobro diferencirane tumorje. Običajno imajo manj diferencirani tumorji slabšo prognozo kot tisti, ki so dobro dife­ rencirani, ker je to povezano s proliferativno sposobnostjo malignih celic. NASTANEK RAKAVE CELICE Različni genski označevalci kažejo na klonalni nastanek raka, to je nasta­ nek tum01ja iz ene maligno transformirane celice. Klonalnost nastanka raka pa ne pomeni, da se normalna celica naenkrat, torej v enem dogodku, spre­ meni v maligno celico. Nasprotno, potrebno je več dogodkov - mutacij na 13 DNA celice za postop no transfo rmacijo normalne celic e v malig no. Postope n nasta nek rakave celice in postope n razvoj tumo rja potrjuje opaža­ nje, da se rak veliko pogosteje razvije p ri starejših ljudeh. V veliki večini p ri­ me rov se šele v poz nejšem življenjskem obdobju zgodi toliko sp rememb v ge nskem materialu celice, da se mali g no transfo rmi rajo in zrastejo v tumo r je. P roces malig ne transfo rmacije celice lahko razdelimo na iniciacijo in pro­ n1ocijo. Iniciacija je prva stop nja v razvoju rakave celice, ko karci noge ni dejavniki izzovejo sp remembo v celič ni DNA in sp rožijo nastanek nepov­ ratnih mutacij. Karcinogene dejavnike v g robem delimo na biološke (np r. virusi), kemič ne (np r. aromatske spoji ne) in fizikal ne (np r. sevanje). Samo iniciacija ni dovolj za nastanek tumo rja, potr ebna je še promocija, to je delovanje fakto rjev, ki pospešujejo delitev teh ge nsko sp reme njenih celic (Tabela 3). Tabela 3: Neoplastična preobrazba celice in mctastaziranje NORMALNA CELICA K/1/ICINOGENI AC1'NSI / l INICIACIJA (np r. kMci nog cne sno F tob=���:::: i:1']AVN1'1 PROMOC IJA (np r. rep roduktiv ni hormo ni) NEOPLASTICNA CELICA i ŠIRITEVVLOKALNA TKIVA, KRI IN LIMFNI SISTEM i CIRKUlACijA TUMORSKIH CELIC IN VDOR V DRUGE ORGANE 14 Hitra delitev rakavih celic ter pomanjkanje popravljalnih mehanizmov za okvare na DNA omogočata kopičenje in "selekcijo" nadaljnjih mutacij. Zato se celice v tumorju razlikujejo; nekatere tumorske celice se delijo hitreje od drugih, druge pa imajo večjo sposobnost metastaziranja. Stalno spreminjanje lastnosti na novo nastajajočih tumorskih celic pomeni doda­ ten problem za zdravljenje. Srečujemo se s heterogeno populacijo tumor­ skih celic, ki niso enako odzivne na določeno zdravljenje, nekatere med njimi lahko postanejo odporne proti zdravljenju. V takem primeru moramo zamenjati način zdravljenja in poskušati uničiti na novo nastale klone rezi­ stentnih tumorskih celic z drugimi metodami. BIOLOŠKE ZNAČILNOSTI RAKAVE CELICE Skupna značilnost vseh maligno transformiranih celic je nekontrolirana rast v plasteh. Stalno ponavljajoče se celične delitve so posledica genskih spre­ memb v malignih celicah, vzrok pa je v njihovi nesposobnosti odzivati se na intracelularne in ekstracelularne signale, nadzorujejo njihovo rast. Geni, ki so v normalih celicah odgovorni za posredovanje signalov se protoonkogeni. geni nosijo zapis za rastne in transkripcijske dejavnike in so pod nadzorom kontrolnih mehanizmov. Ob nastanku mutacij v pro­ toonkogenih celice uidejo nadzornim mehanizmorn, že spremenjene pro­ toonkogene pa imenujemo onkogeni. Druga vrsta genov, ki so tudi udel e­ ženi pri nadzoru rasti celice, so tumorski supresorski geni. Njihova osnovna naloga je, da ob poškodbi celične DNA, aktivirajo popravljalne mehanizn1e ali preusmerijo celico v apoptozo, ko popravljanje ni več izved­ ljivo. Mutacije na tumorskih supresorskih genih velikokrat prizadenejo funkcijo njihovih produktov, tako da niso več sposobni aktivirati popravljal­ nih mehanizmov in preprečiti nastanka rakavih celic. Tabela 4: Geni, ki so udeleženi pri maligni transformaciji normalnih celic v maligne Protoonkogeni - onkogeni - rastni faktorji: ras, src - transkripcijski faktorji: myc, fos Tumorski supresorski geni - Mutirani supresorski geni - p53, Rb, BRCA 1, BRCA 2 15 BIOLOŠKE ZNAČILNOSTI RASTI TUMORJA Aktivacija onkogenov, inaktivacija tumorskih supresorskih genov ter inakti­ vacija genov, soudeleženih v popravljalnih mehanizmih na celični DNA, povzročijo nenadzorovano delitev celic. Vsaka na novo nastala celica po delitvi maligne celice je vedno nova maligna celica. Na takšen način nasta­ ne klon tumorskih celic, ki preraste v tumor. Z večanjem tumorske mase se zgodijo tudi fiziološke spremembe v tumorju. V primeru, ko je še malo tumorskih celic, te dobivajo hranilne snovi in kisik z difuzijo iz bližnjih žil normalnega tkiva. Dokler te celice ostanejo v takem okolju, je njihova rast počasna. To fazo rasti imenujemo avaskularna faza rasti, ki lahko traja precej dolgo (v nekaterih primerih opažamo vznik metastaz po uspešni kontroli rasti primarnega tumorja tudi v več letih). Tumorske celice imajo sposobnost sintetizirati in izločati snovi, ki spodbu­ jajo izraščanje novih žil iz blizu ležečih žil normalnih tkiv. Snovi, ki spod­ bujajo nastanek novih žil, imenujemo angiogeni dejavniki. Ti so zelo pomembni za nadaljni razvoj tumorja, saj omogočajo ožiljenje na novo nastajajočih tumorjev. Dovajartje hranilnih snovi in kisika do tumorskih celic iz na novo nastalih žil zagotavlja nastanek najboljših razmer za rast tummjev. To fazo imenujemo vaskularna faza rasti tumorja. Lastnost tumorskih celic v vaskularni fazi rasti je, da se hitro delijo (lahko tudi vsakih 24 ur). Ker iz vsake celice ob celični delitvi nastaneta dve novi, se število celic v tumorju podvojuje eksponencialno - eksponencialna rast tumorjev. Nove diagnostične metode zaznavajo že zelo majhne tummje, vendar se največkrat velikost zgodaj odkritih tumorj5'.v znaša pri­ bližno lcm 3 - 1g, v katerem je približno 10 9 tumorskih celic. Ce domneva­ mo, da je tumor nastal iz ene maligno transformirane celice, je za rast tummja do te velikosti potrebno 30 celičnih delitev. Zaradi eksponencialne rasti tumorja pa je za namnožitev celic od 10 9 do 10 12 potrebno samo 10 delitev, pri čemer tumor doseže maso 1 kg. Glede na to spoznanje je razu­ mljivo, da je bilo do nastanka tumorja, ki je klinično zaznaven, potrebno dosti več časa, kot je potrebno, da ta tumor povzroči nevzdržne težave orga­ nizmu zaradi svoje mase. Zavedati se moramo tudi, da tumorske celice izlo­ čajo številne druge snovi, ki vplivajo na fiziologijo normalnih celic v orga­ nizmu in tudi na delovanje celotnih sistemov, kot je npr. obrambni oziro­ ma imunski sistem organizma. Prav delovanje na imunski sistem oziroma izogibanje delovanju imunskega sistema, je tista značilnost rakavih celic, ki jim omogoča preživetje v organizmu in nenadzorovano rast tumorjev. 16 Slika 1: Hipotetična rastna krivulja tumo,ja v or g anizmu 1 x10 12 1x10 9 Meja klinične - zaznavnosti _____ · 1x10 6 Latentna faza rasti 1x10 3 o 2 3 4 5 6 7 8 9 Čas KAJ POMENI OZDRAVITEV? Kljub klonalnemu nastanku tumorjev, najdemo v tumorju poleg tumorskih še veliko drugih celic: stromalne celice, kot so fibroblasti, imunske celice in druge. Pomembno pa je, da v tumorju niso vse tumorske celice enake in sposobne celične delitve. Po nekaterih predvidenih jih je samo do 20% takih, ki so sposobne hitre delitve. S stališča terapije raka so pomembne prav te celice, imenujemo jih klonogene celice. Te celice so sposobne tvoriti novo kolonijo oziroma klon, tudi če po zdravljenju preživi ena sama klono­ gena celica. To pomeni, da moramo za ozdravitev bolnikov z rakom uničiti ali odstraniti vse tumorske celice, kajti samo zmanjševanje tumorske mase ni dovolj za preprečitev nadaljnje rasti tumorja. Zavedati se moramo tudi da vse terapije raka, ki se uporabljajo v standard­ nem zdravljenju, ubijajo celice v tumorju po načelu ubijanja deleža celic. To pomeni, da ob vsakem odmerku terapije, obsevalne ali kemoterapije ubi­ jamo samo določen odstotek tumorskih celic, v naslednjem odmerku zopet 17 nov delež in tako naprej. Prav zaradi tega je večina terapij zasnovanih na ponavljajočem odmerjanju, da se ob vsaki novi dozi znova zmanjša delež preživelih celic, vse do ozdravitve. TERAPEVTSKI INDEKS Vse doslej znane terapije poškodujejo tumorske in tudi normalne celice organizma. Zaenkrat še ne poznamo specifične terapije raka, ki bi omogo­ čala selektivno ubijanje tumorskih celic. Zaradi tega se ob zdravljenju sre­ čujemo s poškodbami normalnih tkiv, tako pri zdravljenju s kemoterapijo kot tudi z obsevalno terapijo. S skrbnim odme1janjem in z načrtovanjem poskušamo doseči ravnovesje med poškodbami, ki jih zdravljenje povzroči na normalnih tkivih, in poškodbami na tumorskih celicah. Razmerje defi­ niramo s terapevtskim indeksom. Ravno na osnovi terapevtskega indeksa lahko ocenJUJemo specifičnost onkološke terapije. Teoretično bi želeli terapijo, bi v največji meri poško­ dovala tumor in povzročila čim manj poškodb na normalnih tkivih. V prak­ si je to zelo težko doseči, saj v resnici obstajajo le majhne razlike v občutlji­ vosti rakavih in normalnih celic za klasične načine zdravljenja. Zaradi tega bolj poskušajo razvijati nove vrste zdravljenja, pri čemer skušajo delovanje zdravila prilagoditi lastnostim, ki so značilne za tumorske celice, in tako doseči čim večjo specifičnost delovanja. POMEN EKSPERIMENTALNE ONKOLOGIJE Znanje o biologiji maligno transformirane celice lahko uporabimo tudi pri načrtovanju zdravljenja onkoloških bolnikov. Zato je biologija tumorjev kot veda zelo pomembna za razumevanje osnovnih načel glede nastanka tumorjev in tudi za uvajanje novih načinov zdravljenja. Eksperimentalna onkologija s svojimi tumorskimi modeli omogoča testiranje že uveljavlje­ nih in novih zvrsti zdravljenja raka, kot tudi kombinacije le teh. Uporabljajo tumorske modele in vitro v okolju celičnih kultur in tudi poskusne živali (predvsem laboratorijske miši). Zdravljenje tumorjev na �ivalih nam da prvo informacijo o uspešnosti novega načina zdravljenja. Sele ti predklinični podatki, pridobljeni z eksperimentalno onkologijo, omogočajo uvajanje zdravljenja v kliničnem poskusu. 18 POVZETEK " Rakaste celice nastanejo v procesu neoplastične transformacije celice, imenujemo ga karcinogeneza. " Karcinogeneza se odvija postopoma (v več fazah) pod vplivom delova­ nja karcinogenih agensov (iniciacija) in promocijskih dejavnikov. " Produkt delitve vsake rakaste celice je nova rakasta celica - klonalna teo­ rija nastanku raka. " V procesu maligne transformacije celice so pomebne rnutacije genov, ki nadzorujejo rast celice: protoonkogeni - onkogeni, tumorski supresor­ ski geni - neaktivni tmnorski supresorski geni ter geni, odgovorni za popravljanje poškodb na DNA - neaktivni geni oz. funkcionalno neak­ tiven produkt. '" Tumorska rast se začne z delitvijo klonogenih celic in nastankom tumorskega klona - avaskularna faza rasti; nadaljuje se z vaskularno fazo, kjer je rast tumorske mase eksponencialna. • Za dokončno ozdravitev moramo uničiti ali odstraniti prav vse klonogene celice; delen odziv na zdravljenje ne zagotavlja dokončne ozdravitve. • Glede na rast tumorjev načrtujemo njihovo zdravljenje po fazah, v katerih uničujemo določene deleže tumorskih celic. Agresivnost zdravljenja pove­ čLtjemo in poskušamo doseči popolno uničenje vseh tumorskih celic. '" Sedanje metode zdravljenja oz. terapcvtiki niso visoko specifični za tumorske celice, zato prizadenejo tudi normalne celice v organizmu. Razmerje med poškodbami, ki jih dosežemo na tumorskih in na nor­ malnih celicah z določenim odmerkom terapevtika, imenujemo tera­ pevtski indeks. '"Eksperimentalna onkologija omogoča spoznavanje temeljnih principov glede nastanka in rasti tumorjev in tudi razvoj novih pristopov in spojin za zdravljenje raka. Predstavlja tudi most med temeljnimi znanostmi na drugih področjih in klinično onkologijo. Priporočena literatura: Tannock IF, Hill RP, eds. The basic science oj oncology. 3rd ed. New York: Me Graw Hill, 1998. 19