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.