Effect van radiotherapie op metastasevorming

FACULTEIT GENEESKUNDE EN GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN

Academiejaar 2011 - 2012

Effect van radiotherapie op metastasevorming

Karel VAN HOOLAND

Promotor: Prof. Dr. M. Bracke

Scriptie voorgedragen in de 2de Master in het kader van de opleiding

MASTER IN DE GENEESKUNDE

Voorwoord “As Langenbeck says, every single cancer cell must be regarded as an organism, alive and capable of development. When a plant goes to seed, its seeds are carried in all directions; but they can only live and grow if they fall on congenial soil.” Stephen Paget, The Lancet, 1889

Hoewel er in 1889 al kankeronderzoek was, is de pathogenese van kanker tot op de dag van vandaag grotendeels onopgehelderd. De diagnose ‘kanker’ blijft een donderslag bij heldere hemel voor de patiënt. Niet alleen omdat de patiënt op dat moment amper of geen symptomen vertoont en zich dus niet ziek voelt, maar ook omdat er voor de meeste kankers geen specifieke behandeling bestaat en de diagnose dus geassocieerd wordt met een onvermijdbaar naderend levenseinde.

Radiotherapie is een belangrijke therapie tegen kanker, zowel curatief als palliatief. Gezien de ziekte nog steeds gepaard gaat met een hoge mortaliteit is het van belang dat men de huidige behandelingen steeds toetst naar effectiviteit en veiligheid. Samen met verder onderzoek naar de pathogenese van kanker kan men op die manier de behandeling aanpassen en verbeteren. Het is dan ook uit dit belang dat deze literatuurstudie werd geschreven.

Met het schrijven van een thesis beëindig je meestal je studie. Maar ook al is mijn studie nog niet voltooid, toch voelt het aan als een afronding van vijf leerrijke, soms moeilijke, maar toch ook leuke jaren. Na deze zomer starten de stagejaren, iets waar ik vol verwachting naar uitkijk.

Graag wil ik bij deze gelegenheid enkele mensen bedanken. In de eerste plaats mijn promotor Prof. dr. Marc Bracke voor zijn begeleiding, beoordeling en deskundige raad op de nodige momenten. Ook mijn ouders wil ik bedanken, omdat ze me de kans geven geneeskunde te studeren en ze mij motiveren als het eens wat moeilijker gaat. Verder nog een speciale dank aan mijn moeder voor het nalezen en verbeteren van de scriptie. Tenslotte wil ik ook mijn dichtste vrienden bedanken, voor hun onvoorwaardelijke steun en vriendschap.

-I-

Inhoudstafel Voorwoord.......................................................................................................................... I Inhoudstafel....................................................................................................................... II Afkortingenlijst........................................................................................................ ........ III Lijst van figuren......................................................................... ....................................... V Lijst van tabellen......................................................................................... ...................... V 1

Abstract ............................................................................................................................... 1

2

Inleiding .............................................................................................................................. 3 2.1

Metastasevorming ........................................................................................................ 3

2.1.1

Het proces van metastasevorming ........................................................................ 3

2.1.2

Verandering van de kankercel .............................................................................. 3

2.1.3

Tumor-geassocieerde gastcellen .......................................................................... 5

2.1.4

Eco-systemen ....................................................................................................... 8

2.1.5

Genetische bepaling van metastase .................................................................... 10

2.1.6

Presentatie van metastasering............................................................................. 10

2.2

Radiotherapie ............................................................................................................. 11

3

Methodologie .................................................................................................................... 14

4

Resultaten .......................................................................................................................... 15 4.1

Het effect van radiatie op de primaire tumor ............................................................. 15

4.2

De impact van radiatie op pro-metastatische molecules............................................ 16

4.2.1

Vascular endothelial growth factor (VEGF) ...................................................... 16

4.2.2

Transforming growth factor beta (TGF-β) ......................................................... 17

4.2.3

Integrines ............................................................................................................ 18

4.3

Kankerceloverleving en de mogelijke invloed op metastasevorming ....................... 18

4.4

Hypoxie ..................................................................................................................... 21

4.5

Resultaten van experimentele dierenstudies .............................................................. 23

4.6

Klinisch relevant? ...................................................................................................... 24

5

Conclusie - Discussie ........................................................................................................ 29

6

Referenties ........................................................................................................................ 33

-II-

Afkortingenlijst ASMase BCL(-2/-XL) CGRP CHART c-Met COX-2 c-Src CYR-61 DC DNA ECM EGF EGFR EMT eNOS ERK 1/2 FAS (b)FGF(-2) FGFR G0-G1 HGF/SF HIF(-1) HRS Hypo-IGRT ICAM-1 IFN-β IGF IGF1R IL(-1/-6/-8/-10/-11) IMRT IRR JNK LDR MAPK M-CSF MMP(-2/-9) (m/micro)RNA NFκB NK NO NSCLC p53 PDGF(-β) PGE2 PI3K/AKT PKC(-α)

Acid sphingomyelinase B-cell lymphoma (-2/-extra large) Calcitonin gene related peptide Continuous, hyperfractionated, accelerated radiotherapy Tyrosine kinase receptor voor hepatocyte growth factor/scatter factor Cycloöxygenase-2 Normaal cellulair kinase-gen van de Src-familie Cysteine-rich protein 61 Dendritische cel Deoxyribonucleic acid Extra-cellulaire matrix Epidermal growth factor Epidermal growth factor receptor Epithelial-mesenchymal transition Endothelial nitric oxide synthases Extracellular-signal-regulated kinase ½ Transmembranair eiwit behorend tot de tumor necrosis factor familie (Basic) fibroblast growth factor (-2) Fibroblast growth factor receptor Fasen tijdens de celdelingscyclus Hepatocyte growth factor/scatter factor Hypoxia-inducible factor (-1) Hyperradiosensitiviteit Hypoxia image-guided radiation therapy Intercellular adhesion molecule-1 Interferon-β Insulin-like growth factor Insulin-like growth factor 1 receptor Interleukine (-1/-6/-8/-10/-11) Intensity-modulated radiation therapy Geïnduceerde radioresistentie c-Jun N-terminal kinase Lage dosis-ratio radiatie Mitogen-activated protein kinase Macrophage colony-stimulating factor Matrix metalloproteïnase (-2/-9) (messenger/micro) Ribonucleic acid Nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells Natural killer cel Nitric oxide Niet-kleincellig longcarcinoom Proteïne 53 Platelet-derived growth factor (-β) Prostaglandine E2 Phosphatidylinositol-3-kinase/Proteïne kinase B Proteïne kinase C (-α) -III-

PORT PRT PTHrP QoL RANKL RCT RIBE ROS RT SCLC SNP ST-3 TAG TGF (-α/-β) TNF-α TNM TP53 TrkB-receptor uPA VCAM-1 VEGF(-A) VEGFR(-1/-2) VPF WBI

Postoperatieve radiotherapie Preoperatieve radiotherapie Parathyroid hormone-related protein ‘Quality of Life’ of kwaliteit van leven Receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand Randomized clinical trial Radiation-induced bystander effect Reactive oxygen species Radiotherapie Kleincellig longcarcinoom Single nucleotid polymorphism Stromelysin-3 Tumor-geassocieerde gastcellen Transforming growth factor (-α/-β) Tumor necrosis factor-α Classificatie van tumoren volgens kenmerken van tumor (T), lymfeknopen (N) en metastasen (M) Tumor proteïne 53-gen Neurotrophic tyrosine kinase receptor, type 2 Urokinase-type plasminogen activator Vascular cell adhesion protein-1 Vascular endothelial growth factor (-A) Vascular endothelial growth factor receptor (-1/-2) Vascular permeabillity factor Whole-body irradition

-IV-

Lijst van figuren Figuur 1: Het meerstappen-proces van metastasevorming…………………………………………….. 4 Figuur 2 A: De moleculaire interactie tussen kankercel en TAG……………………………………… 7 Figuur 2 B: De moleculaire interactie tussen (myo)fibroblast en andere TAG………………………... 8 Figuur 3: De verschillende ecosystemen van een metastaserende tumor……………………………… 9 Figuur 4: Het effect van radiotherapie op kankercellen, de micro-omgeving en de cellulaire responsen hierop………………………………………………………………..................................... 12 Figuur 5: Schematische voorstelling van de pro-angiogenetische signalering afkomstig van bestraalde kankercellen naar endotheelcellen…………………………………………………………. 19 Figuur 6: Dosis-respons curve (zwart) met hyperradiosensitiviteit (HRS) en geïnduceerde radioresistentie…………………………………………………………………………….. 21 Figuur 7: 5-jaarsoverleving bij patiënten met Stage I adenocarcinoom van de pancreas behandeld met pancreatectomie met of zonder adjuvante therapie………………………………………… 26

Lijst van tabellen Tabel 1: Pro-metastatische effecten van TGF-β……………………………………………………… 18 Tabel 2: Stressrespons uitgelokt door hypoxie……………………………………………….............. 22 Tabel 3: Frequentie van verre metastasevorming bij hoofd- en halstumoren naargelang de behandeling…………………………………………………………………………………. 24

-V-

1 Abstract Inleiding: De grootste doodsoorzaak van kanker is metastasevorming. Deze is het gevolg van veranderingen bij de kankercel zelf en van een complexe interactie van deze kankercel met andere cellen in de tumor, de zogenaamde tumor-geassocieerde gastcellen (TAG), via directe celcontacten en indirect via gesecreteerde factoren. Ook communiceert de primaire tumor met andere eco-systemen in het lichaam, zoals het beenmerg en de metastatische niche. Indien onbehandeld zal dit bij de meeste tumoren via een meerstappen-proces leiden tot spontane metastasering. Radiotherapie is een vaak gebruikte kankertherapie met als hoofddoel een vermindering van mortaliteit en morbiditeit via curatie of controle van de primaire tumor. De conventionele radiotherapie-strategie is het beschadigen van DNA zodat de cel door een te zware genomische instabiliteit in celdood gaat. Echter, radiatie heeft ook een effect op verschillende pro-invasieve signaalcascades en op de expressie van signaalmolecules die ertoe leiden dat de tumorweefselhomeostase verstoord geraakt. Wat het effect hiervan is, in het bijzonder op de metastasevorming, is het onderwerp van deze literatuurstudie. Materialen en methoden: Een literatuurstudie met als onderzoeksvraag “Effect van radiotherapie op metastasevorming” werd op poten gezet. Vier reviews dienen als leidraad. De artikels die deze studie onderbouwen werden gevonden via Pubmed en ISI Web of Knowledge. Resultaten: In vitro- en dierenstudies tonen aan dat subletale bestraling, die kan voorkomen aan de rand van het bestraalde volume of ter hoogte van hypoxische zones, een pro-metastatisch effect kan veroorzaken via de beïnvloeding van de kankercel en TAG. Deze cellen omvatten endotheelcellen, leukocyten, (myo)fibroblasten, beenmergcellen en zenuwcellen. Via opregulatie van tal van cytokines, groeifactoren en andere proteïnen worden diverse celactiviteiten uitgelokt die ervoor zorgen dat de kankercellen zelf kunnen uitzaaien. Enkele pro-metastatische sleutelmolecules: VEGF, TGF-β en integrines worden uitvoerig toegelicht. Het effect van radiotherapie op de cel is afhankelijk van de status van de micro-omgeving. Hypoxie binnen de tumor leidt tot een gestegen radioresistentie. Eveneens kunnen de fenomenen hyperradiosensitiviteit en geïnduceerde radioresistentie ertoe leiden dat lokale radiotherapie faalt en er zich bijgevolg metastasen kunnen vormen. Het merendeel van de experimentele dierenstudies bevestigen de mogelijkheid van een prometastatische invloed van radiotherapie. Bij klinische studies is dit fenomeen moeilijk aantoonbaar, doch bij sommige types van tumoren is er een voorzichtige duiding. Andere studies suggereren dan weer een neutraal of anti-metastatisch effect van radiotherapie. Discussie-Conclusie: Hoewel in vitro- en dierenstudies de mogelijkheid van een pro-metastatisch effect van bestraling bewijzen, zijn er ook scenario’s waar geen verhoogde metastasevorming optreedt. Radiotherapie zorgt bij veel kankers voor een overlevingsvoordeel. Hadrontherapie geeft bij eenzelfde dosis minder metastasevorming dan fotonenstraling. Adjuvante chemotherapieën, die signaal-1-

molecules inhiberen of pro-invasieve pathways onderbreken, kunnen de overleving positief beïnvloeden en metastasering tegengaan. Hoewel subcuratieve dosissen radiotherapie in elk geval de mogelijkheid geven tot meer metastasevorming, is het met de huidige literatuur onmogelijk om eenduidig aan te tonen dat radiotherapie met curatieve intentie klinisch meer metastasen zou creëren. Meer homogene studies met voldoende patiënten die rekening houden met het tumortype, de stagering, het type behandeling, de dosisrespons, de lokale controle, het zorgvuldig diagnosticeren van metastasen en een voldoende lange follow-up zijn een must.

-2-

2 Inleiding Radiotherapie (RT) is, naast chirurgie en chemotherapie, een zeer belangrijke behandelingsvorm tegen kanker. 50% tot 60% van alle kankers worden bestraald, voornamelijk hersentumoren.1,2 De therapie zelf geeft een hoge frequentie van lokale tumorcontrole en is in veel situaties zelfs curatief. 3 RT kan echter leiden tot recurrentie van meer agressieve en maligne tumoren door de inductie van radioresistente en tot de vorming van meer maligne kankercellen met verhoogde celproliferatie, invasie en angiogenese. De reden waarom kankercellen de bestraling kunnen overleven is te wijten aan een subletale dosis of een succesvol herstelmechanisme van de kankercel zelf.1 Sinds RT een goede methode is voor de behandeling en controle van de primaire tumor is de limiterende factor in de overleving van de patiënt de verre metastase. 4,5 Geschat wordt dat 50% van alle kankerpatiënten ooit een metastase tijdens hun ziekteverloop zullen ontwikkelen.4 Aangezien metastasen met de conventionele therapieën moeilijk curatief te behandelen zijn is prognose na ontwikkeling ervan zeer slecht.5,6,7 Het is duidelijk dat patiënten met een lokaal niet gecontroleerde primaire tumor meer kans hebben op het ontwikkelen van een metastase.2,8 Echter, in de literatuur wordt geopperd dat het proces van de RT zelf, ongeacht de lokale controle, een stimulerende invloed zou hebben op de vorming van verre metastasen. Deze stelling formuleert de onderzoeksvraag van deze literatuurstudie: wat is het effect van RT op verre metastasevorming?

2.1 Metastasevorming 2.1.1 Het proces van metastasevorming Om een eenzijdig antwoord op deze vraag te kunnen bekomen is het belangrijk dat we het proces van metastasering, algemeen via het bloed, goed kennen. Net als de ontwikkeling van kanker zijn de precieze omstandigheden nog niet geheel ontrafeld. Pathofysiologisch gezien moet de kankercel een meerstappen-proces ondergaan vooraleer zij zich als metastase kan manifesteren: proliferatie primaire tumor  loskomen van de tumorcellen  invasie en migratie  intravasatie  overleving in circulatie  arrest ter hoogte van de verre metastaseplek  extravasatie  omzeilen immuunsysteem en implantatie  proliferatie.3,5,

9,10,11

Kortom, de

metastasecel moet in staat zijn tot verandering op gebied van proliferatie, overleving, migratie en invasie.5

2.1.2 Verandering van de kankercel -Homotypsiche cel-cel-adhesie: E-cadherine is hierbij de belangrijkste molecule. Het werkt antiinvasief en verandering van dit membraaneiwit kan het loskomen van de tumorcel veroorzaken. Dit

-3-

Figuur 1: Het meerstappen-proces van metastasevorming. CIC: cancer initiating cells, C-C: cel-cel, C-M: cel-matrix, MicroM: micrometastasen. Naar Mareel et al.9

leidt tot verhoogde migratie, met name bij epitheliale tumoren. Verlies van E-cadherine wordt gemedieerd door EGFR, c-Met, IGF1R , FGFR, MMP-9 en het proto-oncogen c-Src. Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is een reversiebele celverandering van een epitheliaal naar mesenchymaal fenotype. Het treedt op tijdens embryogenese en wondheling, maar ook kankercellen maken hier in vitro gebruik van. Er treedt verlies op van E-cadherine en een toename van vimentine en N-cadherine, twee pro-invasieve molecules. Wordt geïnduceerd door TGF-β en FGF-2, maar ook door een aantal pathways zoals Wnt, c-Met, Notch, Hegdehog en ERK/MAPK. Scattering is een reversiebele downregulatie van epitheliale celmembraanmolecules zonder opregulatie van mesenchymale en het potentieert bijgevolg ook de metastasevorming. Het wordt geïnduceerd door HGF/SF, TGF-β, FGF-2, TGF-α en EGF.1,5,9,12

-Heterotypische cel-cel-adhesie en cel-matrix-adhesie: Integrines zijn hiervan de protagonist. Naast contacten met de extra-cellulaire matrix (ECM) induceren zij ook signaalcascades die proliferatie, overleving, polariteit, motiliteit en differentiatie moduleren. De activiteit van deze molecules is principieel pro-invasief, maar er zijn studies waarbij inactivatie van integrines toch metastase -4-

bevoordeelde. Geactiveerde integrines recruteren MMP-9 en potentiëren het angiogenetisch effect van VEGF en FGF.5,9

-Migratie: de kankercel geraakt na EMT of scattering door de ECM via hydrolyse ervan bewerkstelligd door matrix metalloproteïnasen (MMP) en uPA. Het dient vermeld te worden dat niet alle MMP pro-invasief zijn. Ze kunnen anti-invasief werken door inductie van apoptose, inhibitie van proliferatie en angiogenese, vernietiging van chemo-, cytokines en groeifactoren. De cel kan ook via amoeboïdale migratie door de ECM geraken. De kankercel kan eveneens migreren indien ze omringd is door een groep migrerende cellen waarbij ze zelf weinig of geen invasieve kenmerken vertoont.9,12

-Overleving: een epitheelcel die in een andere ECM zit gaat automatisch in een soort apoptose: anoikis. Dit omdat de cel geen trofische signalen meer krijgt door binding met de ECM. Indien een kankercel wil migreren moet ze deze anoikis dus omzeilen. Dit doet ze door automatisch overlevingspathways te activeren (PI3K-AKT), door p53 te inactiveren, door overexpressie van antiapoptische proteïnes (BCL-2, BCL-XL) of door expressie van de TrkB-receptor.9,12

-Proliferatie: een snelle proliferatie is niet kanker-specifiek, de spatio-temporele programmering ervan wel. Het is echter niet metastase-specifiek: cellen van de primaire tumor hebben reeds een versnelde proliferatie.9

2.1.3 Tumor-geassocieerde gastcellen Dat niet enkel de kankercel een rol speelt bij metastasering, maar ook de cellen die de tumor omgeven, de tumor-geassocieerde gastcellen (TAG), werd voor het eerst beschreven door Paget in 1889 via het ‘seed and soil ’ concept. Daarbij stelde hij dat de kankercel (seed) enkel kan metastaseren als ze zich in de juiste cellulaire omgeving bevindt (soil).13 Verder onderzoek geeft kracht aan deze stelling door aan te tonen dat kankercellen in vitro falen invasie te vertonen zonder het toevoegen van gastcellen of factoren (cytokines en chemokines) en dat veel genen die metastase promoten stromaal van origine zijn.9,12 Eveneens leidt implantatie van een weefselfragment in tegenstelling tot celsuspensies (enkel kankercellen) tot meer metastasevorming. 9 TAG vormen tot 50% van het aantal cellen binnen een maligne tumor. 9,10 De stamcellen die daarvoor instaan bevinden zich ter plekke of komen uit het beenmerg. Tussen TAG onderling en tussen TAG en kankercel is er een moleculaire interactie die zeer complex is. 9 (zie figuur 2) De TAG bestaan uit: -Endotheelcellen zorgen via angiogenese voor voeding en zuurstof voor de tumor. Door een hoge densiteit aan tortueuze, hoog permeabele bloedvaten rond de tumor is er intra- en extravasatie -5-

mogelijk. Angiogenese gaat lymfangiogenese vooraf en beiden geven een slechte prognose. Hematogene disseminatie kan ook volgen uit lymfatische metastasering doordat deze vaten communiceren via de ductus thoracicus. Het belangrijkste pro-angiogenetisch ligand is VEGF, het belangrijkste

anti-angiogenetische

is

angiostatine.

Meerdere

celsoorten

beïnvloeden

de

neoangiogenese, waaronder macrofagen, immuuncellen en andere TAG die groeifactoren en cytokines secreteren. Ook hypoxie bevordert endotheelvorming via opregulatie van cytokines zoals VEGF en HIF-1.5,9,12 -Leukocyten en macrofagen (inflammatie) hebben zowel een beschermend als stimulerend effect op metastasevorming. Monocyten, afstammend van het beenmerg, diapederen onder invloed van chemoattractantia naar de periferie van de tumor en worden tumor-geassocieerde macrofagen. Afhankelijk van het heersende ‘cytokineklimaat’ zijn ze cytotoxisch of immunosuppressief, waarbij de meeste tumoren het laatste misbruiken. Eveneens secreteren TAM pro-metastatische stoffen zoals NO, EGF, HGF/SF, TGF-β, VEGF, PDGF en proteasen. Ze beïnvloeden kankercelextravasatie, inflammatie, extracellulaire matrix remodelling en angiogenese. Een hoge natural killer cel (NK)-activiteit is gecorreleerd met langere metastase-vrije overleving en er is heden geen bewijs dat deze cel mogelijks pro-metastatische activiteit vertoont. Mature dendritische cellen (DC) zijn anti-tumoraal, maar verandering in functie en differentiatie is mogelijks één van de belangrijkste redenen waarom tumorcellen immuunresponsen kunnen omzeilen. Tumorcellen induceren immuuntolerantie bij DC door invloed van VEGF-A, IL-6, M-CSF, COX-2, IL-10, TGF-β en gangliosiden. Zo omzeilt de kankercel de anti-tumoractiviteit van T-cellen. B-cellen hebben ook een dubbele rol.5,9,14 -(Myo)Fibroblasten zijn talrijk aanwezig in het tumorweefsel en zijn pro-invasief. Myofibroblasten ontstaan vooral uit fibroblasten onder invloed van TGF-β en PDGF, maar ze kunnen ook ontstaan uit gladde spiercellen, beenmerg-precursorcellen en zelfs kankercellen. Ze zorgen voor invasie door de vrijlating van proteasen (MMP en uPA) maar hebben ook een effect op overleving en migratie (IGF en HGF/SF), zijn pro-angiogenetisch (FGF-2 en VEGF) en zijn pro-inflammatoir (IL-1, IL-6, IL-8 en TNF-α). Normale fibroblasten buiten de tumor secreten IFN-β dat anti-metastatisch werkt.5,7,9 -Zenuwcellen zijn pro-metastatisch. Invasie van zenuwcellen in de tumor geeft niet alleen afferente pijnsignalen, maar ook efferente signalen direct op de kankercel of indirect via cytokines (CGRP, endotheline, histamine, prostaglandines en substantie P) die zorgen voor inflammatie, angiogenese en invasie.7,9 -Adipocyten zetten kankercellen aan tot aanmaak van ST-3, een MMP. Via adipokines inhiberen ze apoptose en stimuleren ze celproliferatie, migratie en angiogenese. Leptine zorgt voor groei, angiogense, invasie en migratie. Er is eveneens een duidelijke correlatie tussen obesitas en kanker.9,14 -Osteoblasten en osteoclasten: Dat het bot een predilectieplek is voor metastasering van borsttumoren werd reeds door Paget in 1889 beschreven. Waar die zich vooral bevinden in femur is ‘juist onder de

-6-

kleine trochanter’ of ‘aan de junctie van schacht en grote trochanter’, de plek die dus de metafyse voorstelt.13 Recenter onderzoek wijst uit dat de metafyse van de proximale femur, naast de wervels, ribben, pelvis en schedel, een plek is waar metastasecellen goed gedijen. Metastasen van het bot komen relatief meer voor in tegenstelling tot metastasen in andere weefsels, wetende dat het skelet maar 10% van de cardiac output ontvangt. Een eerste reden is dat metastasecellen gemakkelijk extravaseren in het bot aangezien de vasculatuur, vooral ter hoogte van het rode beenmerg, niet eindigt in capillairen maar in volumineuze sinusoïden waar de bloedstroom trager is. Eveneens maken de metastasecellen gebruik van de lokale cellen. Osteoblasten zorgen voor een omgeving rijk aan groeifactoren, cyto- en chemokines. Osteoclasten kunnen door de metastasecel ‘misbruikt’ worden om ruimte te creëren en om groeifactoren, die vastzitten in de ECM, los te krijgen. Dit doet de kankercel met behulp van immuuncellen als deel van een inflammatoire reactie. Immuuncellen zelf zijn talrijk bij botmetastasen en worden gerekruteerd door antigen op de tumorcellen of door necrose. De kankercel kan zelf de osteoclast activeren via de productie van PTHrP die osteoblasten aanzet tot aanmaak van RANK-L. RANK-L activeert op zijn beurt de osteoclast. In een verder stadium kan de metastasecel de osteoblastactiviteit stilleggen en de osteoclasten blijven activeren via IL-1, IL-6, IL-8, IL-11, COX-2 en PGE2.10,14

CSF1 CXCL1 CXCL5 CXCL6 CXCL8 CXCL10 IL6 IL10 SDF1 TGF-β TNF-α

IL8 MMPs

Angiostatine bFGF CXCL1 CXCL6 CXCL8 SCF S1P VEGFs

EGF IL1 IL6 TNF-α

bFGF EGF EMMPRIN FGF9 GRO-1 LPA PDGFs TGF-β

CCL21 ET PGE2 S100A

???

Adiponectine APLN HGF Leptine NGF ST3 TNF-α

-7-

CCL2 CCL3 CLL7 CCL8 CSF1 GM-CSF CXCL10 IL10 MCF PDGF SDF1 TGF-β VEGF

NGF PG SCF VEGF

CGRP ET PGs

Amphireg FGF7 GFG10 IGF1 IL6 RANTES S100A SDF1 Syndecan TGF-β VEGF

CD40 IL1α IL4 TNF-α

B7DC CCL11 Eotaxin GM-CSF

IGF1 PDGF TGF-α TGF-β TNF-α

CSF1 GM-CSF MCP1

FGF2 IL8 SDF1 uPAs VEGFs

PDGF TGF-β

ET FN IL1 PDGF L-selectine

HGS/SF Tenascin C

Adiponectine Resistine COX producten FGF

ET NGF COX producten VEGF

Figuur 2: De moleculaire interactie tussen kankercel en TAG (A) en tussen (myo)fibroblast en andere TAG (B). De lijst van molecules die deelnemen aan deze communicatie is niet volledig. APLN: apelin, B7DC: programmed death ligand 2, bFGF: basic fibroblast growth factor, CCL: chemokines met de eerste twee cysteïnes niet gescheiden door een ander aminozuur, CD40: tumor necrosis factor receptor 5, CGRP: calgranulin-related protein, COX: cyclo-oxygenase, CSF1: colonystimulating factor 1, CXCL: chemokines met de eerste twee cysteïnes gescheiden door een ander aminozuur, EGF: epidermal growth factor, EMMPRIN: extracellular matrix metalloproteinase inducer, ET: endothelin, FGF: fibroblast growth factor, GM-CSF: granulocyte-macrophage colony-stimulating factor, GRO-1 (= CXCL1): GRO protein alpha, HGF (= SF): hepatocyte growth factor (= scatter factor), IGF1: insulin-like growth factor 1, IL: interleukine, LPA: lysophosphatidic acid, MCF: MCF cellijn-afstammende transformatie-sequentie, MCP1 (= CCL2): monocyte chemotactic protein 1, NGF: nerve growth factor, PDGF: platelet-derived growth factor, PGE2: prostaglandine E2, RANTES (= CCL5): bepaald volgens activatie, normaal T-geëxpresseerd en vermoedelijk gesecreteerd, S100A S100: calcium-binding protein, S1P: sphyngosine 1 phosphate, SCF: MGF stamcelfactor, SDF1 (= CXCL12): stromal cell-derived factor 1, ST3 (= MMP11) stromelysine 3; TGF-β: transforming growth factor β, TNF: tumor necrosis factor, uPA: urokinase type plasminogen activator, VEGFs: vascular endothelial growth factors Naar Mareel et al.9

Niet iedere tumor metastaseert naar het bot: botmetastasen van gastro-intestinale kankers zijn zeer zeldzaam.13,14 -Bloedplaatjes kunnen binden op de kankercellen in de circulatie. Op die manier kan de kankercel NK-activiteit omzeilen en kan ze zich makkelijker hechten op de bloedvatwand voor extravasatie.14

2.1.4 Eco-systemen Hoewel primaire tumor en metastase ruimtelijk van elkaar gescheiden zijn communiceren ze met elkaar. Observatie toont een voorbereiding, door aanpassing van de ECM via MMP-9, van een -8-

mogelijke metastaseniche door de rekrutering van beenmergcellen, geregeld via signalen afkomstig van de primaire tumor. We kunnen 5 ‘eco-systemen’ onderscheiden.9

- De primaire tumor: bestaat uit kankercellen en alle TAG behalve osteoblasten en osteoclasten. Stamcellen zelf komen uit de niche van de tumor of uit een ander eco-systeem zoals het beenmerg. Er is zelfs een nieuwe hypothese dat gedissemineerde cellen kunnen terugkeren naar de primaire tumor.12 - Het beenmerg: kan de plaats zijn voor micrometastasering en ‘dormancy’ (zie later). Het beenmerg zorgt ook voor de vrijlating van hematopoietische voorlopercellen die de niche voor metastasering voorbereiden en voor mesenchymale stamcellen die de primaire tumor voorzien van TAG. - De circulatie: omvat bloedvaten, peritoneale en pleurale holte. Dit systeem staat in voor het vervoeren van kanker- en gastcellen, de liganden en oplosbare receptoren die invasie regelen. - Het lymfesysteem: lymfeklierinvasie komt vaak voor en is een belangrijke prognostische factor. De sentinel-lymfeklier is de eerste klier waar de tumorcel in contact komt met DC. Als de kankercel niet geëlimineerd wordt kan ze zich verder verspreiden naar regionale lymfeklieren of verre organen. Lymfangiogenese in de besmette klier zorgt ook voor verdere spreiding. - De verre metastase: hier komen dezelfde types gastcellen voor als bij de primaire tumor, hoewel ze soms specifiek zijn voor een weefsel (vb: astrocyten bij hersenmetastase). Chemokine-attractie, die anders is per orgaan, zorgt voor de ‘homing’ van kanker- en gastcellen.

Figuur 3: Translocatie van kankercellen en TAG tussen de verschillende ecosystemen van een metastaserende tumor. HPC: hematopoëtische precursorcellen, EPC: endotheliale progenitorcellen, CC: kankercellen Naar Mareel et al.9

-9-

2.1.5 Genetische bepaling van metastase Er zijn heel veel genen die anders geëxprimeerd worden tussen niet-metastaserende en metastaserende tumoren. Daardoor is eenduidig metastaseonderzoek, zelfs binnen één type van primaire tumor, zeer moeilijk.9 Er is een debat of het metastatisch potentieel van een tumor het gevolg is van clonogene selectie of van een reeks mutaties die al vroeg tijdens de tumorigenesis zijn ontstaan en die volstaan voor metastasering. Metastasevorming als gevolg van clonogene selectie kan men verklaren door de constatering dat circulerende cellen/metastases meer virulente genetische wijzigingen vertonen ten opzichte van de primaire tumor.3,5 Een andere studie12 toont aan dat genexpressie, gelinkt aan een slechte prognose, al aanwezig is bij de primaire tumor, wat erop wijst dat metastatische competentie al vroeg verworven wordt. Er wordt ook gesuggereerd dat genen met invloed op metastasevorming niet permanent, maar soms transiënt geactiveerd worden, gezien er zelfs bij grote metastasen een duidelijke heterogeniteit is aan genexpressie.3,9,12 Verder onderzoek zal meer duidelijkheid moeten geven hieromtrent. Er is ook specifiek bewijs dat activatie van bepaalde genen een invloed heeft op in welk orgaan de metastase zich zal vestigen. Er zijn zo reeds enkele genen gevonden die botmetastasering bevoordelen.5,12 Single nucleotid polymorphisms (SNP) zijn, soms normale, variaties in het genoom. SNP in een promotor of suppressor-gen kan ervoor zorgen dat deze respectievelijk overgeactiveerd of uitgeschakeld wordt. Op die manier kan iemand genetisch voorbeschikt zijn om metastasen te ontwikkelen tijdens de tumorprogressie.9

2.1.6 Presentatie van metastasering Klassiek zullen er zich bij een onbehandelde primaire tumor na verloop van tijd detecteerbare metastasen vormen. Verder zijn er 5 patronen van presentatie te onderscheiden.4 

Snelle groei van ondetecteerbare micrometastasen na behandeling van primaire tumor: typisch bij tumoren die angiostatine aanmaken, zoals het muriene Lewis-longcarcinoom.



Simultane presentatie van primaire tumor en metastase: komt voor bij tumoren die geen angiostatine aanmaken



Occulte primaire tumor met gekende metastasen: komt voor bij 5% van de hoofd- en halstumoren.



Behandeling van primaire tumor zonder detecteerbare metastasen, gevolgd door groei van metastasen jaren na de behandeling: dit omvat de term ‘dormancy’ van micrometastasen. De geachte mechanismen voor dormancy zijn: G0-G1-arrest van de cellen, de actie van tumorsuppressorgenen of dominantie van anti-angiogenetische boven pro-angiogenetische factoren waardoor de cel(len) geen bloedvaten kunnen vormen en in rustmodus blijven. Ook kan -10-

immunosurveillance ervoor zorgen dat proliferatie onderdrukt wordt en dit verklaart ook waarom er zich meer metastasen vormen bij het onderdrukken van het immuunsysteem. Een andere hypothese is dat cellen die vroeg dissemineren initieel minder capabel zijn voor het vormen van een fulminante metastase en dat ze bijgevolg ‘dormant’ blijven. Om verder uit te groeien zijn ze afhankelijk van verdere mutaties of van cellen die hen kunnen helpen uitgroeien.9,12 

Simultane presentatie van primaire tumor en metastase waarbij behandeling van de primaire tumor een regressie geeft van de metastasen: dit wordt zelden gezien bij renaal celcarcinoom na chirurgische verwijdering ervan.

2.2 Radiotherapie RT maakt gebruik van ioniserende straling om tumoren te vernietigen. Het effect van deze radiatie gebeurt ofwel direct door afzetten van de energie op macromolecules of indirect door interactie van de energie met water zodat er ‘reactive oxygen species’ (ROS) ontstaan. ROS zorgt voor de meeste weefselschade aangezien de vorming ervan een zelfonderhoudend proces is. Het directe stralingseffect wordt snel teniet gedaan door lyse of herstel van de cel.15 De conventionele strategie van RT is het beschadigen van DNA via dubbelstrengige DNA-breuken. Door het falen van DNA-replicatie en DNA-herstel zijn het vooral sneldelende cellen die zwaar getroffen worden door ioniserende straling. Schade aan het genoom doet de kankercel vervolgens in apoptose gaan door p53 of ze ondergaat mitotische celdood of een irreversibel groei-arrest.1,2,12 Echter, onderzoek toont aan dat straling ook een effect heeft op de activatie van signaalpathways (acid sphingomyelinase(ASMase)-ceramide pathway, FAS tot Caspase cascade), molecules (NFκB, TNF-β, VEGF) en membraangebonden eiwitten. Ook cellen die niet direct bestraald zijn geweest worden beïnvloed via gap-junctions tussen cellen of via oplosbare factoren (IL-8, TNF-α, ROS). Dit fenomeen heet ‘radiation-induced bystander effect’ (RIBE) en verklaart waarom er zelfs bij zeer lage dosissen toch veel dubbelstrengige DNA-breuken optreden.1,7 Het effect van RT op de tumor is afhankelijk van radiatietype, dosis en wijze van fractionatie.15 Als radiatietype onderscheiden we fotonenstraling en hadrontherapie. Fotonenstraling maakt gebruik van X-stralen gegeven onder de vorm van externe RT, waartoe IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy) behoort, of brachytherapie. Hadrontherapie maakt gebruik van koolstofionen of protonen.1,7 RT wil twee zaken: kankercellen doden en het normale weefsel sparen.15 Aangezien er bij externe RT een gevaar is voor het beschadigen van normaal weefsel is er het concept fractionatie: tussen twee stralingsdosissen in heeft het weefsel de tijd om te herstellen.1 Men kan dus stellen dat meer fractionatie bij eenzelfde totale dosis minder toxisch is voor het normale weefsel, maar ook voor de

-11-

Figuur 4: Het effect van radiotherapie op de target cells of kankercellen, de microomgeving en de cellulaire responsen hierop. Naar Barcellos-Hoff et al.15

-12-

tumor! Een kankercel die een hoge, letale dosis straling krijgt zal steeds in celdood gaan door de opgedane schade, echter, onderzoek toont aan dat een zwakke dosis (enkele dosis van