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 trachea/lunga urinvägar malignt lymfom 32.6 11,3 11,0 7,4 6,8 3,9 bröst tjocktarm hud livmoder trachea/lunga övrigt 28,7 11,7 8,9 5,8 5,6 4,7 övrigt 3,2 äggstock 4 nervsystem 2,5 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 genskada 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 * (* 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 NFκΒ aktiveras i närliggande celler Transkriptionsfaktor, translokeras in i nukleus vid aktivering NFκΒ aktiverar transkription av proteiner som leder till ökad proliferation och hämmad apoptos => farlig situation för cell med 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 för ytterligare mutationer som agerar synergistiskt med den första är så liten 6
Cancercellers egenskaper okontrollerad tillväxt Minskat beroende av tillväxtfaktorer kass 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 6 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 7
Konskekvens av genetisk instabilitet Ackumulering av defekt DNA, Strängbrott, Polyploidi, Aneuploidi (kromosom antal rubbat) Kromosom translokationer, förluster, kopieringar Stor andel ej kompatibla med cellöverlevnad nekros (i cancer ofta mycket nekrotiska celler) 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 N- terminal 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 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 Cancerceller är genetiskt instabila - inte bara en fördel 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 =>inducera apoptos Cellgiftbehandling resistens uppkommer ofta (man köper sig tid, inte bot) Primär (svarar inte på första behandlingen) Sekundär (ytterligare mutationer har skett som selekterats fram under pågående behandling) Multidrug resistande protein (membranpump, pumpar ut cytostatika ur cellerna) Kombinationsbehandling med flera cytostatika mindre risk för överlevnad av klon som kan utveckla resistens, detta genom att slå mot flera mekanismer samtidigt 24
Nya 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 genom att dess inhiberande protein IκΒ degraderas (via proteasomer) varefter NFκΒ kan importeras till kärnan och sätta igång expression av proteiner som är anti-apoptotiska 1 2 Velcade en proteasome hämmare Behandling vid multiple myeloma Genom att blocka proteasome nedbrytning så kan IκB inte degraderas -NF-κB hindras från att importeras in till kärnan och aktivera expression ett antal 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 runt hörnet! 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