Cancerogenesi

Cancerogenesi
Cancerogenicità dell’amianto, suoi
meccanismi e la teoria multistadio
Bologna 6 marzo 2014
Roberto Calisti e Dario Mirabelli
1
Sommario
1. Definizioni
2. Cancerogenicità dell’amianto
1.
2.
Effetti diretti
Effetti indiretti (mediati dalla flogosi)
3. Il quadro di riferimento: la teoria multistadio
1.
2.
3.
Origine monoclonale dei tumori
Cancerogenesi a livello di linee cellulari e concetto di pool di cellule
in trasformazione
Approfondimenti (caratteristiche biologiche della malignità, eventi
cellulari della trasformazione, selezione di forme progressivamente
aggressive, ruolo del microambiente circostante il tumore)
4. Conclusioni
Definizioni
I tempi della cancerogenesi
Definizioni
Storia naturale del mesotelioma maligno dall’inizio
dell’esposizione riflette quella dei tumori solidi dell’adulto in
generale:
1 2
3
4
5
|---/----|==|========================|=====----------|---|
CANCEROGENESI
FASE PRE-CLINICA
TEMPO DALL’INIZIO ESPOSIZIONE
SOPRAVVIVENZA
CRESCITA DEL TUMORE
|<---------------------->|
latenza
|<- propr.detta>|
|<-------- latenza comunemente detta --->|
|<->|
|<----------------->|
1: inizio dell’esposizione all’amianto;
2: inizio del processo di cancerogenesi (inizio dell’“induzione”, evento non osservabile);
3: conclusione del processo di cancerogenesi e insorgenza biologica del mesotelioma (neoplasia non
clinicamente rilevabile);
4: manifestazione clinica e diagnosi di mesotelioma (neoplasia clinicamente rilevabile);
5: morte per mesotelioma.
Cancerogenicità dell’amianto
I meccanismi d’azione
Cancerogenicità dell’amianto
Cancerogeno di gruppo 1 secondo l’Agenzia Internazionale per la
Ricerca sul Cancro (IARC) => relazione causale con tumori
umani definitivamente stabilita
Organi bersaglio: mesotelioma (pleura, peritoneo, altre
membrane sierose), polmoni, la laringe e le ovaie e possibile
per il colon-retto [Straif K et al. A review of human carcinogens—Part C: metals, arsenic,
dusts, and fibres. Lancet Oncol 2009;10:453-454]
Cancerogeno completo:
iniziante => trasformazione neoplastica delle cellule bersaglio per
mutazioni o altre alterazioni del materiale genetico
promovente => moltiplicazione incontrollata delle cellule trasformate e
loro sopravvivenza selettiva [Nagai H, Toyokuni S. Biopersistent fiber-induced
inflammation and carcinogenesis: lessons learned from asbestos toward safety of fibrous
nanomaterials. Arch Biochem Biophys 2010;502:1–7]
Cancerogenicità dell’amianto
[Nagai H, Toyokuni S. Biopersistent fiber-induced inflammation and carcinogenesis: lessons learned from
asbestos toward safety of fibrous nanomaterials. Arch Biochem Biophys 2010;502:1–7]
Cancerogenicità dell’amianto
Sono essenziali:
Sia il danno diretto alla cellula mesoteliale bersaglio, che non è
un danno semplice, né acquisibile in breve tempo da una
singola cellula
Sia quello indiretto, dovuto alla persistente attivazione dei
macrofagi (cellule dotate di capacità di fagocitare materiali
estranei, detriti cellulari, cellule senescenti e microrganismi)
nella reazione infiammatoria cronica
La permissività e persino la cooperazione (angiogenesi) di altri
tipi di cellule favorite dalla flogosi cronica
Ipotesi di effetti (diretti o meno)
Generazione di radicali liberi - reazione
infiammatoria alle fibre e loro azione
catalitica=> specie reattive
dell’ossigeno (ROS) => DNA
Disordine mitotico - interazione fisica con
i cromosomi e interferenza con il
fuso mitotico => aberrazioni
strutturali e numeriche dei
cromosomi
Adsorbimento di cancerogeni - l’adesione
di varie molecole alla superficie delle
fibre di amianto causa l’accumulo di
molecole carcinogenetiche e
interferisce con le vie di segnalazione
intracellulare
Infiammazione cronica – attivazione
macrofagi => specie reattive
dell’ossigeno (ROS) => DNA
Effetti diretti
Generazione di radicali liberi - reazione
infiammatoria alle fibre e loro azione
catalitica=> specie reattive
dell’ossigeno e dell’azoto (ROS e
RNS) => DNA
Disordine mitotico - interazione fisica con
i cromosomi e interferenza con il
fuso mitotico => aberrazioni
strutturali e numeriche dei
cromosomi
Generazione di segnali intercellulari
aberranti => stimolo proliferativo e
fuga dall’apoptosi
[International Agency for Research on Cancer. IARC
Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks
to Humans. A review of Human carcinogens: Metals,
arsenic, dusts, and fibres. Vol. 100 Part C, WHO, IARC,
Lyon. 2011]
Effetti indiretti
Infiammazione cronica – attivazione
macrofagi => specie reattive
dell’ossigeno e dell’azoto (ROS e
RNS) => DNA
Infiammazione cronica – generazione di
segnali intercellulari aberranti =>
stimolo proliferativo e fuga
dall’apoptosi
Infiammazione cronica – creazione di un
ambiente tissutale permissivo allo
sviluppo tumorale e favorente la
selezione di cloni tumorali più
aggressivi
[International Agency for Research on Cancer. IARC
Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks
to Humans. A review of Human carcinogens: Metals,
arsenic, dusts, and fibres. Vol. 100 Part C, WHO, IARC,
Lyon. 2011]
Un quadro di riferimento
La teoria multistadio della
cancerogenesi
Un esperimento
Esperimenti di cancerogenesi chimica degli anni ‘40
Origine del modello di cancerogenesi iniziatore/promotore
Figure 11.28 part 1 of 2 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Teoria multistadio
• Armitage e Doll (1954): la trasformazione neoplastica è un
processo articolato in più stadi
• Cellule normali acquisiscono gradualmente una serie di
alterazioni irreversibili e ereditabili che si traducono
nell’acquisizione di caratteristiche proprie della cellula
tumorale
• Quando una cellula capostipite ha subito tutte le mutazioni
necessarie, la sua trasformazione è completata: una cellula
neoplastica vera e propria inizia a replicarsi all’interno
dell’organismo e può a dare luogo ad un tumore clinicamente
osservabile (ma non è detto che lo faccia)
faccia
Cancerogenesi multistadio
Trasformazione da cellula normale a neoplastica processo
complesso. Cellule normali acquisiscono progressivamente
modificazioni (soprattutto, ma non solo) del patrimonio
genetico e assumono i caratteri morfologici e funzionali delle
cellule neoplastiche
Al termine: cellula neoplastica progenitrice => replicazione =>
sviluppo di un tumore clinicamente rilevabile
A condizione che tale cellula abbia successo (non sia per altri
versi danneggiata) e non sia inibita o soppressa da
meccanismi di difesa, come vedremo
[Weinberg RA. The biology of cancer. New York: Garland Science, Taylor and Francis Group, 2007]
Origine monoclonale
Ogni tumore maligno deriva dall’espansione clonale 1 di una
cellula trasformata in senso maligno [Nowell PC. The clonal evolution of tumor
cell populations. Science 1976;194:23–28]
Ciò non implica
Né che per dar luogo al tumore sia importante solo l’effetto
dell’esposizione su una singola cellula
Né che la cellula che per prima raggiunge lo stadio di trasformazione
maligna riesca concretamente a dar luogo ad un tumore
1
proliferazione di una cellula che darà cellule figlie identiche ad essa
Cancerogenesi e linee cellulari
Successive alterazioni colpiscono intere linee cellulari, ognuna
costituita da una cellula e dalla sua progenie
Le mutazioni già acquisite sono trasmesse alle cellule figlie, che
ne accumulano ulteriori fino ad arrivare alla formazione di
una cellula trasformata in senso tumorale
La cancerogenesi è quindi un processo che coinvolge in parallelo
plurime linee cellulari (cloni) appartenenti al tessuto
bersaglio, non singole cellule
Cancerogenesi e linee cellulari
[Axelrod R et al. Evolution of cooperation among tumor cells. PNAS
2006; 103: 13474-13479]
Cancerogenesi e linee cellulari
[figura 83-1 di Harrison’s Principles of Internal Medicine, accesso in data
12-09-2011 a http://accessmedicine.com/]
Cancerogenesi e linee cellulari
Sei stadi successivi di
accumulazione di alterazioni e
di espansione dei cloni cellulari
portatori delle alterazioni
conducono da una cellula
normale (N) ad una cellula
progenitrice di tumore (T6). La
morte cellulare, per necrosi o
per apoptosi, è rappresentata
dagli elementi colorati in grigio.
Un intero clone (T3) si è estinto
per accumulazione di
alterazioni letali.
[figura 83-1 di Harrison’s Principles of Internal Medicine, accesso in data
12-09-2011 a http://accessmedicine.com/]
Un esempio ben noto
Pool di cellule in trasformazione
Successione di fasi in cui
sono acquisite nuove alterazioni
le alterazioni sono fissate e diventano ereditabili
la linea cellulare portatrice si espande
Risultato: formazione nel tessuto bersaglio di un pool di cellule
in trasformazione, appartenenti a linee con diverso grado di
avanzamento
Presupposti
Spinta all’acquisizione di alterazioni
Ambiente circostante che avvantaggia e seleziona linee cellulari con
mutazioni progressivamente più marcate (più “maligne”)
Aspetti da approfondire
Alterazioni a carico delle linee cellulari
1 In quale direzione devono andare le alterazioni, cioè quali siano le
caratteristiche fondamentali delle cellule tumorali maligne
2 Quale tipo di eventi cellulari presieda a queste alterazioni
3 In che cosa consista la spinta alla loro acquisizione
Ruolo dell’ambiente circostante
4 Quali meccanismi protettivi e/o competitivi ostacolino lo sviluppo di un
tumore
5 Se e come un ambiente “ostile” avvantaggi e, quindi, selezioni cloni
cellulari sempre più capaci di replicazione incontrollata
6 Quali elementi dell’ambiente circostante debbano invece “cooperare”
con le cellule tumorali per permetterne la crescita
1 Caratteristiche di malignità
“The hallmarks of cancer” secondo Hanahan e Weinberg (2000 e
2011):
autosufficienza dei segnali di crescita,
insensibilità ai segnali di inibizione della crescita,
evasione dal programma di morte cellulare (apoptosi),
capacità replicativa illimitata,
aumentata neoformazione di vasi sanguiferi (angiogenesi),
capacità di invadere i tessuti circostanti e di dare metastasi,
riprogrammazione del metabolismo energetico,
evasione dalla distruzione immunitaria.
[Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell 2000;100:57–70; Hanahan D, Weinberg RA. The
hallmarks of cancer: The next generation. Cell 2011;144:646-674]
1 Caratteristiche di malignità
Nel mesotelioma sono presenti quantomeno le prime sei:
6
5
4
1
2
3
[Robinson BWS, Lake RA. Advances in malignant mesothelioma. N Engl J Med 2005;353:1591-1603]
1 Caratteristiche di malignità
Possono essere raggiunte in ordine diverso da caso a caso:
[Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell 2000;100:57–70]
2 Meccanismi cellulari
Nel caso dell’amianto sono noti molteplici meccanismi:
Mutazioni a carico di proto-oncogeni, geni onco-soppressori e geni di
controllo del ciclo cellulare <= mutagenicità dei ROS/RNS generati
direttamente dalle fibre di amianto e indirettamente
dall’infiammazione cronica
Alterazioni del numero di geni e di interi cromosomi (aneuploidia) <=
genotossicità delle fibre, sia diretta sia dovuta all’interferenza con il
fuso mitotico
Alterazioni epigenetiche, con ipermetilazione e inattivazione delle
regioni di controllo di oncosoppressori
Interferenza con vie di segnalazione del ciclo cellulare
[International Agency for Research on Cancer. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to
Humans. A review of Human carcinogens: Metals, arsenic, dusts, and fibres. Vol. 100 Part C, WHO, IARC,
Lyon. 2011; Heintz NH et al. Asbestos, lung cancer, and mesotheliomas. Am J Respir Cell Mol Biol
2010;42:133-9]
2 Meccanismi cellulari
Per l’amianto recente comprensione dell’interferenza con le vie
di comunicazione intra/intercellulare:
[Heintz NH et al. Asbestos, lung cancer, and mesotheliomas. Am J Respir Cell Mol Biol 2010;42:133-9]
3 La spinta alla mutazione
Azione mutagena, genotossica, epimutagena e tossica
(interferenza con le vie di comunicazione regolatrici del ciclo
cellulare) dovuta a fibre di amianto e flogosi cronica
Ambiente tissutale “ostile”:
Barriere fisiche: reti di segnali intercellulari => adesione delle cellule
normali tra loro ed al tessuto interstiziale di supporto
Barriere funzionali: reti di segnali intercellulari => segnali di arresto della
replicazione
Flogosi cronica dovuta all’amianto
Sorveglianza immunitaria
Competizione per ossigeno e nutrienti con il tessuto normale e
all’interno della massa tumorale in crescita
Sviluppo di instabilità genetica e acquisizione di fenotipo
mutante => accelerazione del rateo di mutazione
4 Ambiente circostante
Ostacoli allo sviluppo neoplastico
Barriere fisiche alla migrazione: reti di segnali intercellulari => adesione
delle cellule normali tra loro ed al tessuto interstiziale di supporto
Barriere funzionali alla replicazione: reti di segnali intercellulari =>
segnali di arresto della replicazione
Sorveglianza immunitaria => soppressione cloni mutanti
Flogosi cronica dovuta all’amianto
Competizione per ossigeno e nutrienti con il tessuto normale e
all’interno della massa tumorale in crescita
Limitazione fisica dello spazio per la proliferazione cellulare all’interno
della massa neoplastica
4 Ambiente circostante
Laallo
stessa
crescita
del focus neoplastico costituisce
Ostacoli
sviluppo
neoplastico
paradossalmente
il maggior
ostacolo
al suo=>ulteriore
Barriere
fisiche alla migrazione:
reti di segnali
intercellulari
adesione
sviluppo
delle
cellule normali tra loro ed al tessuto interstiziale di supporto
Barriere funzionali alla replicazione: reti di segnali intercellulari =>
Ad esempio
la massa raggiunge la
segnali
di arrestoquando
della replicazione
dimensione
di uno=>sferoide
di 200
µm la crescita
Sorveglianza
immunitaria
soppressione
cloni mutanti
tenderebbe
a passare
da esponenziale a lineare
Flogosi
cronica
dovuta
all’amianto
[Enderling et al. Migration rules: tumours are conglomerates of self-metastases. Br J
Cancer 2009;100:1917-25
Competizione
per ossigeno e nutrienti con il tessuto normale e
all’interno della massa tumorale in crescita
Limitazione fisica dello spazio per la proliferazione cellulare all’interno
della massa neoplastica
5 Selezione
“Multiple cumulative mutational events are invariably required
for the progression of a tumor from normal to fully malignant
phenotype. The process can be seen as Darwinian
microevolution in which, at each successive step, the mutated
cells gain a growth advantage resulting in an increased
representation relative to their neighbors”
[“Clonal origin and multistep nature of Cancer”, in: Harrison’s Principles of Internal Medicine, accesso in data
12-09-2011 a http://accessmedicine.com/]
6 Cooperazione con il tumore
Alterazione dei segnali di comunicazione intercellulare da parte
del tumore permette:
Superamento delle barriere fisiche (giunzioni intercellulari)
all’infiltrazione dei tessuti normali da parte del tumore
Induzione di angiogenesi (meccanismo attivato dalle fibre di amianto)
Colonizzazione dei vasi sanguigni e linfatici
Evasione alla sorveglianza immunitaria
Conclusioni
Occorrono
Numerosi stadi
A carico di un pool di cellule in via di trasformazione, la cui dimensione si
amplia col tempo
prima che compaia una cellula progenitrice del mesotelioma.
Occorrono
Complesse interazioni con il microambiente circostante il tumore
La selezione di cloni con caratteristiche crescenti di malignità
prima che il mesotelioma divenga clinicamente evidente.
Conclusioni
Occorrono
L’amianto possiede molteplici
meccanismi d’azione in grado di
presiedere a molti stadi
Numerosi stadi
A carico di un pool di cellule in via di trasformazione, la cui dimensione si
amplia col tempo
prima che compaia una cellula progenitrice del mesotelioma.
Occorrono
Complesse interazioni con il microambiente circostante il tumore
La selezione di cloni con caratteristiche crescenti di malignità
prima che il mesotelioma divenga clinicamente evidente.
Conclusioni
Occorrono
Numerosi stadi
A carico di un pool di cellule in via di trasformazione, la cui dimensione si
amplia col tempo
prima che compaia una cellula progenitrice del mesotelioma.
Occorrono
La sua comparsa si può
Complesse interazioni concollocare
il microambiente
tra 6circostante
e 20 anniil tumore
prima
La selezione di cloni con caratteristiche crescenti di malignità
della diagnosi, ma non è
prima che il mesoteliomapossibile
divenga clinicamente
osservarneevidente.
il momento
esatto
Conclusioni
Anche in questo caso l’amianto
possiede molteplici meccanismi
Occorrono
d’azione in grado di alterare le
Numerosi stadi
A carico di un pool di cellule vie
in viadidicomunicazione
trasformazione, la cui dimensione si
amplia col tempo
intercellulare
prima che compaia una cellula progenitrice del mesotelioma.
Occorrono
Complesse interazioni con il microambiente circostante il tumore
La selezione di cloni con caratteristiche crescenti di malignità
prima che il mesotelioma divenga clinicamente evidente.
Conclusioni
La flogosi cronica indotta
Numerosi stadi
dall’amianto è un potente fattore
A carico di un pool di cellule di
in via
di trasformazione,
la cui dimensione si
stress
tissutale, determinante
amplia col tempo
un microambiente competitivo
prima che compaia una cellula progenitrice del mesotelioma.
Occorrono
Occorrono
Complesse interazioni con il microambiente circostante il tumore
La selezione di cloni con caratteristiche crescenti di malignità
prima che il mesotelioma divenga clinicamente evidente.
Conclusioni
E’ altamente improbabile che sia
stata proprio la prima cellula
Occorrono
trasformata in senso maligno a
Numerosi stadi
al tumore:
eventosi
A carico di un pool di cellule dare
in via diorigine
trasformazione,
la cui un
dimensione
amplia col tempo
improbabile di solito non si
prima che compaia una cellula
progenitrice
deltentativo.
mesotelioma.
realizza
al primo
Occorrono
Complesse interazioni con il microambiente circostante il tumore
La selezione di cloni con caratteristiche crescenti di malignità
prima che il mesotelioma divenga clinicamente evidente.
Conclusioni
• Cancerogenesi multistadiale come teoria scientifica in senso
stretto: schema coerente
• Paradigma della complessità della causazione e dello sviluppo
del cancro
• Finora ha potuto accogliere ed organizzare tutti i nuovi
contributi, ad esempio:
– Instabilità genetica
– Competizione selettiva tra cloni differenziatisi all’interno dello stesso
tumore
– Ruolo del microambiente circostante nel favorire o reprimere la
proliferazione di un clone