Le caratteristiche fondamentali della cellula tumorale

Le caratteristiche
fondamentali della cellula
tumorale
Cell vs. microenvironment
D. Hanahan, R.A. Weinberg The Hallmarks of Cancer. Cell 100: 57-70 (2000).
Cancer cells:
CSC, non-CSC
Acquired capabilities of Cancer
D. Hanahan, R.A. Weinberg The Hallmarks of Cancer. Cell 100: 57-70 (2000).
La progressione tumorale
• Il tumore rappresenta un’entitá dinamica nelle
sue stesse fondamenta genetiche
• La semplice descrizione delle anomalie
genetiche perció é insufficiente per farci
capire come “funziona”
• Occorre una visione “integrata” della storia
naturale del tumore, nei vari stadi della sua
progressione
Teoria della selezione clonale
•
•
•
In base a questo modello, la tumorigenesi si puó considerare
come l’espansione seriale di cloni successivi di cellule,
caratterizzati dall’acquisizione di mutazioni che conferiscono un
vantaggio selettivo di crescita nei confronti delle popolazioni
cellulari circostanti
Per arrivare ad un fenotipo tumorale maligno, é necessaria una
serie di alterazioni. Una sola alterazione genetica di per sé puó
essere controllata da meccanismi di risposta cellulari
Le alterazioni sono prevalentemente genetiche, ma alterazioni
“epigenetiche” e quindi stabilmente ereditabili di pattern di
espressione genica sono probabilmente anch’esse importanti;
Emergenza sequenziale di subcloni. Un processo di selezione
competitiva fra I subcloni coesistenti porta all’emergenza del
subclone maligno “vincente”, che peró puó acquisire nel tempo
nuove alterazioni genetiche dando origine ad eterogeneitá
genetica
Selezione clonale e cancer
stem cell
• I due concetti non sono incompatibili
• La selezione clonale può avvenire a
livello delle cancer stem cell
Geni associati alla
trasformazione neoplastica
• Oncogeni: l’”acceleratore” bloccato
• Oncosoppressori: I “freni”
malfunzionanti
• Instabilitá genomica: guida in stato di
ubriachezza
Oncogeni
• Sono generalmente dominanti (solo una copia
alterata)
• Tipi di fattori alterati:
– Recettori per fattori di crescita (con un quadro equivalente
ad una stimolazione permanente);
– Proteine coinvolte nella trasduzione del segnale;
– Fattori nucleari (fattori di trascrizione, cicline);
– Fattori anti-apoptotici
– Anti-oncosoppressori
Geni oncosoppressori
• Generalmente, entrambe le copie
devono essere mutate o distrutte;
• Tipi di oncosoppressori:
– Regolatori del ciclo cellulare;
– Regolatori della risposta a stimoli
mitogenici;
– Fattori di adesione;
– Fattori di risposta allo stress, pro-apoptotici
Geni coinvolti nel
mantenimento della stabilitá
genomica
• Affini agli oncosoppressori
• La loro inattivazione, tuttavia, non porta direttamente
ad un vantaggio nella crescita cellulare, ma aumenta
la probabilitá di ulteriori mutazioni
• Tipi:
–
–
–
–
“nucleotide excision repair”
“mismatch repair”
“Proofreading”
Altre funzioni non caratterizzate
Modelli teorici di soppressione
tumorale
• L’inattivazione di un gene il cui prodotto funge da
mediatore in un pathway lineare dá come risultato
l’inattivazione dell’intero pathway.
• In questo caso, l’inattivazione successiva di un altro
componente dello stesso pathway non conferirebbe
ulteriori vantaggi selettivi alla cellula che presenta la
prima mutazione, e quindi la mutazione successiva
non sarebbe osservabile nel tumore emergente.
Visione integrata di oncogeni
ed oncosoppressori
• Aldilá del singolo gene, quello che occorre
considerare é la necessitá per la cellula tumorale di
raggiungere l’inattivazione di un determinato pathway
• Tale inattivazione si puó raggiungere per attivazione
di un oncogene, o per inattivazione di un
oncosoppressore
• Questa visione ci consente di classificare I geni in
base al pathway cui appartengono: geni appartenenti
a pathway diversi (p.es. Rb e p53) sono spesso
mutati nella stessa cellula tumorale
Analisi di geni in tumori
In ognuno dei tre maggiori pathway oncosoppressori, l’inattivazione di
Un componente preclude l’inattivazione degli altri componenti.
Angiogenesi tumorale
• Le cellule di mammifero devono essere
localizzate ad un massimo di 200µM di
distanza dalla microvascolatura
• Questa distanza corrisponde al limite
massimo di diffusione dell’ossigeno
• Per una crescita ulteriore, c’é bisogno di
formare nuovi vasi sanguigni
• Simili restrizioni sono in atto anche nella
massa tumorale
Ca in situ e nuovi vasi sanguigni
Ca invasivo
La neo-angiogenesi è collegata al
processo di metastatizzazione
“The Angiogenic Phenotype”
Somatic
mutation
Small
avascular
tumor
Proangiogenic
factors secreted
by tumor and
stroma
= Proangiogenic factor, VEGF
= Angiogenic inhibitor
Carmeliet and Jain. Nature. 2000;407:249.
Tumor growth and
metastasis
Angiogenic inhibitors may
prevent neovascularization
and induce vascular
regression
Lo “switch” angiogenico
• I tumori producono fattori pro-angiogenici ed antiangiogenici
• Nella prima fase della crescita tumorale, il bilancio é
tale da non favorire l’angiogenesi
• Lo “switch” avviene quando I fattori pro-angiogenici
prendono il sopravvento
• L’ulteriore crescita tumorale e la metastatizzazione
sono angiogenesi-dipendenti
Segnali di attivazione dello
“switch”
• Stress metabolico (ipossia, basso pH,
ipoglicemia): tutte condizioni che si
creano nell’habitat tumorale quando
avviene un accrescimento di massa
senza angiogenesi
• Infiammazione
• Stress in generale
•
•
•
Struttura e funzione dei vasi
tumorali
I meccanismi di regolazione dell’angiogenesi sono molto meno
stringenti
I vasi tumorali hanno caratteristiche strutturali diverse da quelli
normali: in alcuni casi, il lume é rivestito da un mosaico di cellule
endoteliali e tumorali (con ovvie implicazioni per il processo di
metastatizzazione)
I vasi tumorali sono tortuosi, dilatati, molto ramificati: questo
provoca ipossia locale nel tumore, indirettamente provoca
problemi di distribuzione dei farmaci anti-tumorali, ed inoltre
porta ad ulteriore stimolazione della produzione di fattori proangiogenici
Normal and Tumor
Vasculature
Terapia anti-angiogenica
• Si basa sul presupposto (dimostrato
sperimentalmente in diversi modelli animali) che
l’inibizione dell’angiogenesi impedisca l’espansione e
metastatizzazione tumorali
• Risultati nei modelli animali: la terapia antiangiogenica non é in grado di “uccidere” le cellule
tumorali esistenti (stasi tumorale)
• Gli inibitori dell’angiogenesi sembrano “normalizzare”
I vasi tumorali. Questo potrebbe aumentare l’efficacia
di farmaci chemioterapici, facendo sí che
raggiungano l’intera massa tumorale
Antiangiogenic Therapy-Mechanisms
Modulating VEGF
Bevacizumab
• Recombinant humanized
monoclonal IgG1 antibody
• Recognizes all isoforms of
VEGF1
• Estimated half-life
approximately 20 days (range,
11-50 days)
1. Presta et al. Cancer Res. 1997;57:4593.
Invasivitá e metastatizzazione
• Invasione della matrice extracellulare
• Disseminazione vascolare e
attecchimento
Cascata
metastatica
•Diminuita aderenza intercellulare
•Legame a componenti della matrice
extracellulare
•Degradazione della matrice
•Migrazione delle cellule tumorali
Invasione della matrice
• Diminuzione delle caderine E: diminuita adesione
intercellulare
• Adesione alla matrice: favorita da particolari
integrine, e da recettori per laminina e fibronectina
• Degradazione della matrice: metalloproteinasi di
matrice (MMP). L’inibizione dell’attivitá proteolitica di
MMP-2 (collagenasi IV) riduce la metastatizzazione
in modelli animali
• Migrazione: produzione di fattori stimolanti la motilitá
cellulare (HGF, timosina ß15)
Disseminazione ed
attecchimento
• La stragrande maggioranza delle cellule tumorali,
anche se riesce a raggiungere la circolazione
sanguigna/linfatica, non dá origine a metastasi
• Le cellule tumorali formano piccoli agglomerati
embolici all’interno dei vasi, che si arrestano nella
microvasculatura e favoriscono l’uscita delle cellule
tumorali dai vasi
Target per la
metastatizzazione
• Metastatizzazione preferenziale di certi tumori in certi
tessuti (p.es., fegato e polmone):
– considerazioni anatomiche: la microvascolatura di alcuni
organi è più “stretta” di altri, e le cellule tumorali sono
intrappolate;
– alcuni tumori esprimono recettori per determinate molecole
presenti in quel particolare organo sulla superficie delle
cellule endoteliali;
– Le cellule tumorali possono causare l’ingresso in circolo di
cellule derivate dal midollo osseo che vanno in determinati
tessuti e ne cambiano il microambiente.