CANCER

CANCER

CANCER – allmänna begrepp – orsak till cancer – Cancerutveckling , metastasering – Mekanismer bakom cancerutveckling – tumörvirus – proto-onkogener och onkogener – tumörsuppressorgener – molekylärbiologisk diagnostik och behandling

Cancer • var tredje svensk drabbas av cancer någon gång under livet • varje år upptäcks cancer hos 45000 personer i Sverige • varje år dör 20000 personer till följd av cancersjukdom i Sverige • genetiska faktorer och miljöfaktorer

1

Cancerincidens i % Män

Kvinnor

prostata tjocktarm hud

32.6 11,3 11,0

trachea/lunga urinvägar malignt lymfom

7,4 6,8 3,9

övrigt

3,2

nervsystem

2,5

bröst

28,7

tjocktarm hud livmoder trachea/lunga

11,7 8,9 5,8 5,6

övrigt

4,7

äggstock

4

malignt lymfom

3,2

Definitioner • tumör = abnorm proliferation av celler – benign: respekterar vävnadsgränser – malign: invasiv o/e metastaserande

• ursprung – vävnad • • • •

carcinom – epitelvävnad sarkom – bindväv leukemi – från blodceller lymfom – från vävnad ingående i immunsystemet

– celltyp (tex. fibrom – fibroblaster) – organ

Bening tumör respektive malign tumör (=cancer)

2

ORSAK TILL CANCER • genetiska (förprogrammerade, medfödda) – BRCA1, BRCA2 – hereditär colonpolypos – även andra mindre klara samband = 'predisponering' resp. 'skyddande gener'

• Miljöfaktorer – Exposition till mutagena eller proliferationsstimulerande föreningar (eller strålning)

• Medicinsk behandling (sekundär till behandling av annan cancer, eller av immunosuppressiv behandling)

Genetisk predisposition - bär redan på en riskabel genskada i nyckel-gen– oddsen att få bägge allelerna muterade under en livstid ökar dramatiskt

Miljöfaktorer • rökning (associerad med 25% av alla cancerfall) – – – – – –

lungcancer matstrupe struphuvud urinblåsa livmoderhals bukspottkörtel

3

Miljöfaktorer • felaktig kost • alkohol – – – –

• • • • • • •

mun svalg matstrupe lever

hormoner virus (HPV-16,-18, Hepatitvirus m.fl.) bakterier UV-ljus, radioaktiv strålning arbetsmiljöfaktorer: kemikalier (någon %) luftföroreningar (1% av alla cancerfall) inflammation immunosuppression

Miljöfaktorer - carcinogener • skadar DNA och skapar mutationer – benzopyren – dimetylnitrosamin – nickelföreningar – aflatoxin – UV-strålning

• bidrar till tumörutveckling genom att stimulera cellproliferation = tumörpromotor – phorbolester

Tillväxtstimulering: ”carcinogent” genom att öka risken för att klon med icke reparerad DNA skada ”blommar upp” och får chansen -kräver upprepad tät stimulering

* (* Upprepade DNA skador (utan tillväxtstimulering utifrån) ökar chansen till ”two hits”, dvs ge cell med mutation i gen som driver tillväxt Viktigt!! (signalstransduktion) tillsammans med en som sätter sätter ex. apoptosreglering ur spel.)

4

Inflammation fungerar som promoter (magsår ökar risken för magcancer, inflammatorisk tarmsjukdom ökar risken för koloncancer, hepatit ökar risken för levercancer)

• Uppreglering av pro-inflammatorisk cytokin, TNF-α • Binder till receptor i närliggande celler, NFκΒ aktiveras – Transkriptionsfaktor, translokeras in i nukleus vid aktivering

• NFκΒ aktiverar transkription av proteiner som leder till ökad proliferation och hämmad apoptos • => farlig situation för sådan stimulerad närliggande cell som samtidigt bär på eller får DNA skada

CANCERUTVECKLING mutationer i gener som styr: • proliferering – svar på tillväxtfaktorer, cellcykelkontroll mm. • differentiering • apoptos • DNA: korrekturläsning och reparation kan ge icke-reglerad tillväxt

Cancerutveckling • initiering – Genförändring(ar) som leder till onormal proliferation i förhållande till signaler utifrån

• progression – ytterligare mutationer – tillväxthastighet och adaptionsförmåga ökar – invasivitet och förmåga till metastasering – De-differentiering ger tillväxtfördel

5

Stadier i cancerutveckling

2. Progression

1. Initiering

”Multiple hit” – fler än en gen/en mekanism måste vara skadad => Mer än en mekanism påverkad • • • • • •

Onormal tillväxt (signalering, expression) Defekt kontroll/proof reading av DNA Icke fungerande DNA reparation Defekt ”broms” Defekt apoptos Undgår immunförsvaret

• De flesta mutationer som sker i våra celler leder inte till cancer då chansen är så liten för ytterligare mutationer som agerar synergistiskt med den första (hinner inte uppstå innan cellen dött => men med kraftig promotor (extern stimulering av proliferation) så kan den cell linjen leva länge nog och ge upphov till tillräcklig många ”descendants”/avkommor för att detta ska kunna ske

6

Cancercellers egenskaper • • • • • • • •

okontrollerad tillväxt Minskat beroende av tillväxtfaktorer defekt cell-cell eller cell-matrix kontakt inhibition Apoptos-reglering rubbad eller utslagen defekt differentiering (även de-differentiering) sekretion av proteaser – bryter ner extracellulärmatrix sekreterar tillväxtfaktorer – inducerar angiogenes Genetiskt instabila – Många cancerceller går i nekros men några ”mer adapterade” överlever och tar snabbt över n=

Cancerceller är genetiskt instabila - inte bara en fördel

Konskekvens av genetisk instabilitet • Ackumulering av defekt DNA, – Strängbrott, – Polyploidi, Aneuploidi (kromosom antal rubbat) – Kromosom translokationer, förluster, kopieringar – Stor andel av dessa är ej kompatibla med cellöverlevnad – cancerceller ofta i nekros (i uttalad cancer ofta mycket nekrotiska celler)

7

Egenskaper hos cancerceller • Okänsliga för externa signaler (som reglerar cell proliferation) • Undgår apoptos • Undviker: – programmerade proliferations-begränsningar • Utrycker bl.a. telomeras

– Åldras inte normalt med antalet celldelningar (ej normal cellsenescence – Utebliven differentiering (ibland de-differentiering, får egenskaper som tidigare steg i cell lineage (från stamcellstadiet)

• Genetiskt instabila • Invasiva/ kan lämna normal plats i organismen • Överlever och prolifererar på fel ställen

Defekt kontaktinhibition

Densitetsberoende inhibition

8

Onormal autokrin tillväxtstimulering

Onormal receptorsignalering (utan ligand)

Störd intracellulär signalering (Ras är muterat i många cancerformer)

9

Defekt apotos initering eller ökad inhibition av apoptos

Bcl-2 – hindrar cytokrom c-utsläpp

Defekt differentiering Leukemi

TUMÖRVIRUS • kan orsaka cancer i försöksdjur eller människa • virus från olika virusfamiljer • olika mekanismer för olika virus

10

Tumörvirus

Hepatit B- och Hepatit C-virus • kan ge kronisk leverinfektion • kontinuerlig proliferation av hepatocyter • mer än 100 gånger ökad risk för levercancer • hepatit B virus driver också direkt abnormal proliferation och överlevnad

SV40- och polyomavirus • • • •

infekterar naturligt apor och möss används i cancerforskning små genom (~5kB) bra cellkulturassays

11

SV40 – replikering och transformering

SV40-, polyoma- och adenovirus • infektion i non-permissive cells – ej virusreplikation – virusgenom kan integreras i värdceller

• transformation – virusDNA stabilt integrerat i värdcellen och värdcellen producerar virala proteiner • early-genes – stimulerar värdcellsproliferation – mha virus-drivet uttryck av DNA-polymeras

• binder till och inaktiverar Rb och p53

Papillomavirus • ~60 olika humana papillomavirus • infekterar epitelceller • benigna (vårtor) och maligna (livmoderhalscancer m.fl.) tumörer • E6 och E7 – protein kodade av early genes • inaktiverar tumörsupressorproteiner Rb och p53

12

Herpesvirus • • • •

100-200 kB Orsakar cancer Kaposi´s sarkomassocierat herpesvirus Epstein-Barr virus

Retrovirus

•orsakar cancer i många djurarter, har då fler gener än ovan •HTLV-1 ger T-cells leukemi

ONKOGENER • gener som kan inducera celltransformering (=omvandling från normal cell till cancercell) • virala och cellulära onkogener • studier av virala onkogener ger information om cellulära onkogener och utveckling av icke-virus-inducerad cancer • onkogena retrovirus - typexempel

13

RSV – Rous sarcoma virus • onkogent retrovirus • den först identifierade onkogenen från RSV

Retrovirala onkogener • kodar för nyckelprotein i signalöverföring för cellproliferation • >30 retrovirala onkogener identifierade • src, ras, raf, m.fl. • härstammar från proto-onkogener som blivit cellulära onkogener, som inkorporerats i virala genomet

Proto-onkogener • de normala cellulära generna som virala onkogener härstammar ifrån • viktiga cellregulatoriska gener • abnormalt uttryckt eller muterat ger onkogener

14

Onkogener i cancer • förändrade proto-onkogener – punktmutation – kromosomtranslokation – amplifiering

• ~100 onkogener identifierade • endast förändring på en allel räcker för cancerutveckling • kodar för överuttryckt eller överaktivt protein

Punktmutation • rasH, rasK, rasN – punktmuterade ras-gener • förekommer i 20% av all mänsklig cancer • permanent aktivt Ras-protein

Exempel på kromosomtranslokation

15

Filadelfiakromosom • kronisk myeloisk leukemi • abl protoonkogen translokeras •proteinets normala Nterminal byts •icke-reglerbart Abl protein tyrosinkinas •Signalerar hela tiden – konstant proliferation

Genamplifiering – ökat antal kromosomala gen- kopior

3-5 kopior D cyklin per cell (head and neck cancer cells)

• ger förhöjd genexpression • Många kopior N-myc i snabbt växande aggressiva tumörer • erbB-2 kodar för tyrosinkinasreceptor, i förhöjt antal i bröst- och äggstockscancer • D cyklin - driver på cellcykeln förbi R point i G1

Funktion hos onkogenprodukter • ~100 onkogenprodukter identifierade • utgör delar av signalvägar för reglering av celltillväxt och överlevnad som svar på stimulering av tillväxtfaktorer

16

Onkogener och signaltransduktion

Funktion hos onkogenprodukter (forts) • cellcykelregleringsprotein amplifierat eller förändrat med translokation (cyklin D1) • blockerar differentiering och ger proliferering • blockerar apoptos (Bcl2 ex)

Onkogener och cellöverlevnad apoptos blockeras PI3-kinas Akt Bcl-2 – hindrar cytokrom c-utsläpp

17

TUMÖRSUPPRESSORGENER • anti-proliferationsgener • stoppar ej proliferation vid inaktiverande mutationer eller deletioner • genförändring på båda allelerna krävs vanligen för cancerutveckling • många olika tumörsuppressorgener identifierade

Tumörsuppressorgener

Tumörsuppressorgener

18

Funktion hos tumörsuppressorgenprodukter • PTEN • Rb • p53

PTEN motverkar cellöverlevnad -> proapoptotisk

Cellcykelreglering med Rb och E2F

19

Induktion av p21 av DNA-skada

P53 ofta muterad i cancer

Tumörutveckling • cancerceller – felaktig kontroll av celltillväxt • utveckling i många steg ger gradvis malignitet • felaktig kontroll av DNA ger med tiden fler mutationer till dottercellerna • många mutationer ger ofta överlevnadsfördelar – cellen delar sig snabbare än granncellerna • ännu fler mutationer tillkommer • tumörceller blir mer och mer maligna • cancerceller dedifferentierar – – liknar mindre och mindre den cell de utvecklades från – ”minns” sämre sitt ursprung (avs genexpression)

• Mindre nogaräknade avs. omgivning

20

Progressiv utveckling Från benign tumör till invasiv cancer

coloncancer

Tjocktarmspolyp

21

Coloncarcinom

Prognos beror på när förändring hittas Benign polyp (tidigt stadium). Hittas ofta med koloskopi (tjocktarmsundersökning med fiberendoskop) – om polyp avlägsnas vid undersökningen undviks cancer, ingen mer behandling krävs (men kontroller)

Coloncarcinom som börjar invadera underliggande muskellager – kräver radikal kirurgi (bortopererande av tarm).

Metastasering– flera barriärer

Därför är metastasering ett sent steg i cancerutveckling, och resultatet av multipla genetiska förändringar

22

Metastasering – inte helt lätt Varför vissa tumörtyper oftare är benigna/lokala (hypofysadenom …)

Genetisk instabilitet en förutsättning för att kunna adaptera sig of förändra sig till invasiv cancer

Genetisk instabilitet – möjliggör uppkomst av mer maligna celler med bättre metastaserande potential, men för instabila celler klarar inte av detta

Molekylärbiologisk diagnostik • gentester för upptäckt av anlagsbärare – dessa kan följas mer noga (ev. förebyggande operationer) – hereditär nonpolyposis coloncancer – BRCA1, 2 – gener muterade i ärftlig bröstcancer

• detektera mutationer – diagnosticera, välja behandling, följa behandlingseffektivitet – Bcr/Abl => Glivec behandling (Tyrosinkinase hämmare) – CD20 => Mabthera (monoklonal antikropp mot CD20)

23

BEHANDLING • • • • • • • •

kirurgi strålning cellgifter hormoner – antihormon immunterapi benmärgstransplantation smärtlindring specialdesignad behandling (specifika molekylära targets och mekanismer)

Targets för cytostatika • • • • • • • • •

DNA skadande (addukter, gör det svårreplikerat Topoisomeras-hämmare Microtubuli hämmande (mitosen!) Cytoskelett skada Antimetaboliter (metotrexate) DNA syntes (DNA polymerase skadande) Proteinsyntes hämmande Nukleotid syntes Många verkar genom att inducera apoptos – Defekt apoptos reglering del i cytostatika resistens

• …

Cellgiftbehandling • resistens uppkommer ofta (man köper sig tid, men ofta inte bot på lång sikt med enbart cellgift) – Primär resistens (svarar inte på första behandlingen) – Sekundär res. (ytterligare mutationer har skett som selekterats fram under pågående behandling) – Multidrug resistande protein (membranpump, pumpar ut cytostatika ur cellerna) - induktion

• Kombinationsbehandling med flera cytostatika och upprepad tät behandling – mindre risk för överlevnad av klon som kan utveckla resistens, detta genom att slå mot flera mekanismer samtidigt och ofta

24

Moderna och kommande behandlingsstrategier: högre specificitet, mindre toxicitet för normala celler • Proteasomhämmare • Tyrosinkinase hämmare – (riktad mot den specifika förändringen)

• Antikroppar mot specifika ytmolekyler – (riktad mot specifik celltyp, slår inte ut andra celler)

• • • • •

Hämmare av multipla signalsteg Immunoterapi Angiogenes-hämmare (”neurosedyn”), anti-VEGF RNA silencing Gen-terapi

Transkriptionsfaktorn NFκΒ aktiveras av antiapoptotiska signaler utifrån (dess inhiberande protein IκΒ degraderas via proteasomer)=> NFκΒ importeras till kärnan och inducerar expression av proteiner som är anti-apoptotiska och proliferations stimulerande

1 2

Velcade – en proteasome hämmare Behandling vid multiple myeloma - Hämmar NFκΒ aktivering bl.a.

Genom att Velcade blockar proteasome nedbrytning så kan IκB inte degraderas - NF-κB hindras från att importeras in till kärnan= hindras från att aktivera expression ett centrala anti-apoptotiska gener=> maligna celler kan gå i apoptos igen

VELCADE!

25

Riktad molekylär terapi mot bakomliggande rubbing!

Abl protein tyrosinkinas ur kontroll konstant proliferation

Riktad terapi - Glivec (tyrosinkinase-hämmare mot Bcr/Abl (filadelfiakromosomen)

Riktade terapier på gång!

26

Future: Virtual screeningdesigning drugs in the desktop computer

SAMMANFATTNING • • • • • • • •

CELLDÖD och apoptos CANCER orsak till cancer cancerutveckling tumörvirus och virusonkogener proto-onkogener och onkogener tumörsuppressorgener tumörutveckling, diagnos och behandling

27