Rola nowotworowych komórek macierzystych w patogenezie i

WYBRANE
PROBLEMY
KLINICZNE
Rola nowotworowych komórek
macierzystych w patogenezie
i terapii chorób nowotworowych
Magdalena Szaryńska,
Zbigniew Kmieć
Katedra i Zakład Histologii,
Gdański Uniwersytet Medyczny
The role of cancer stem cells in pathogenesis
and therapy of cancer
STRESZCZENIE
Mimo wielu lat poszukiwania skutecznych terapii, nowotwory stanowią wciąż jedną
z najczęstszych przyczyn zgonów. Kluczem do rozwiązania tego problemu wydaje się
być stworzenie protokołów leczenia zaprojektowanego dla każdego pacjenta indywidualnie, lecz do tego potrzebna jest kompleksowa wiedza na temat genezy i progresji nowotworów. Przełomem dla postępu naszej wiedzy o patogenezie rozwoju nowotworów
było prawdopodobnie odkrycie nowotworowych komórek macierzystych (CSCs), które
stały się podstawą do sformułowania nowych teorii opisujących rozwój chorób nowotworowych biorących pod uwagę złożoność całej kancerogenezy oraz zróżnicowanie
stopnia wrażliwości komórek nowotworowych na różne metody terapii. W czasie rozwoju choroby nowotworowej prawdopodobnie dochodzi do współwystępowania jednocześnie zjawisk opisywanych przez dwie dominujące teorie: w wyniku klonalnej ekspansji
dochodzi do selekcji CSCs, które następnie są źródłem całej hierarchii heterogennych
komórek nowotworowych. Nowotworowe komórki macierzyste posiadają cechy typowe
dla prawidłowych komórek macierzystych. Prawdopodobnie powstają one z tkankowych
komórek macierzystych, jednak brakuje na to jednoznacznych dowodów. Analiza właściwości tych komórek pozwoliła zrozumieć, dlaczego stosowane metody leczenia zawodziły w tak wielu przypadkach, nie niszczyły one bowiem tej populacji komórek. Odkrycie CSCs pozwoliło skoncentrować się na poszukiwaniach nowych metod leczenia
skierowanych na pokonanie niewrażliwości CSCs na stosowane dotąd czynniki terapeutyczne.
Forum Medycyny Rodzinnej 2011, tom 5, nr 1, 47–56
Adres do korespondencji:
dr n. med. Magdalena Szaryńska
Katedra i Zakład Histologii GUMed
ul. Dębinki 1, 80–210 Gdańsk
tel.: (58) 349–14–37, faks: (58) 349–14–19
e-mail: [email protected]
słowa kluczowe: nowotworowe komórki macierzyste, terapia
Copyright © 2011 Via Medica
ISSN 1897–3590
47
WYBRANE
PROBLEMY
KLINICZNE
ABSTRACT
Despite many years of investigations, cancer still belongs to one of the most common
causes of patients’ death. The implementation of individual treatment protocols seems
to be the best way of successful therapy. However, the deepening of our knowledge about
the mechanisms of cancer genesis and progression is necessary to rich that goal. The
discovery of cancer stem cells (CSCs) was a milestone in the understanding of the resistance of tumor cells to various therapies. It was established that CSCs have features very similar to tissue stem cells. Although, CSCs seem to originate from tissue stem
cells, the clear evidence is still lacking, because the studies of different cancers gave
heterogeneous results. The discovery of CSCs laid the basis for the new theories of cancerogenesis, which explain differentiated sensitivity to therapy of cancer cells and why
the standard treatment methods failed in so many cases. These new theories suggest
that the selective clonal expansion of CSCs let to obtain clones, which can give rise to
all types of the heterogenous differentiated cancer cells. Standard therapies act mainly on partially-differentiated, matured or proliferating cancer cells, but not on CSCs,
which are in fact responsible for cancer genesis, progression and metastases. Therefore, recent target of cancer research is directed to the development of new therapeutics to overcome the insensitivity of CSCs to chemioterapeutics, and, consequentially,
to inhibit progression of the disease.
Forum Medycyny Rodzinnej 2011, vol. 5, no 1, 47–56
key words: cancer stem cells, therapy
48
CO TO SĄ KOMÓRKI MACIERZYSTE?
że jej komórki tracą totipotencjalność, co
Aby komórkę można było nazwać komórką
sprawia, że w dalszych etapach ontogenezy
macierzystą, powinna ona po pierwsze, być
w organizmie występują komórki macierzy-
zdolna do samoodnawiania i po drugie, mieć
ste o znacznie mniejszym potencjale różni-
potencjał różnicowania w przynajmniej je-
cowania. Komórki pluripotencjalne mogą
den rodzaj spośród około 200 typów wyspe-
się różnicować do wielu, ale nie do wszyst-
cjalizowanych komórek ciała [1]. Na podsta-
kich rodzajów typów komórek ciała powsta-
wie potencjału różnicowania można wyróż-
jących ze wszystkich trzech listków zarodko-
nić kilka typów komórek macierzystych.
wych (ektodermy, endodermy, mezodermy).
W wyniku pierwszych podziałów zygoty po-
Taki potencjał pluripotencjalności przypisu-
wstają blastomery, które są komórkami to-
je się komórkom macierzystym embrional-
tipotencjalnymi. Również zapłodniona ko-
nym (komórkom węzła zarodkowego). Mul-
mórka jajowa, zygota, jest totipotencjalną
tipotencjalność jest cechą komórek macie-
komórką macierzystą. Komórki o takim
rzystych zasiedlających większość tkanek
potencjale mogą dać początek wszystkim
i narządów organizmu. Komórki multipo-
wyspecjalizowanym komórkom całego orga-
tencjalne mają zdolność do różnicowania się
nizmu oraz błonom płodowym i łożysku —
w linie komórek specyficznych dla danej ni-
wszystkim typom komórek niezbędnym
szy, czyli środowiska tkankowego lub narzą-
w czasie prawidłowej embriogenezy. Na-
dowego. Na przykład, krwiotwórcze komór-
stępne podziały wczesnej blastuli sprawiają,
ki macierzyste mogą dać początek wszystkim
www.fmr.viamedica.pl
Magdalena Szaryńska, Zbigniew Kmieć
Nowotworowe komórki macierzyste
komórkom hematopoezy, zaś nerwowe ko-
komórek nowotworowych. W późniejszych
mórki macierzyste mogą się różnicować
badaniach wykazano związek indukcji po-
w neurony, astrocyty oraz oligodendrocyty.
wstawania nowotworów z obecnością nie-
Najmniejszy potencjał posiadają komórki
zróżnicowanych komórek. Dla wielu typów
unipotencjalne, które mają zdolność różni-
nowotworów wykazano, że rozwijają się one
cowania się w tylko jedną linię, na przykład
z komórek o cechach przypominających ko-
spermatogonia [1, 2].
mórki macierzyste pluripotencjalne, o właści-
Sądzi się, że komórki macierzyste wystę-
wościach podobnych do cech embrionalnych
pują w większości tkanek ciała dorosłego
komórek macierzystych [3–5]. W literaturze
człowieka, jako tak zwane tkankowe (soma-
komórki te nazywa się nowotworowymi ko-
tyczne) komórki macierzyste. W większości
mórkami macierzystymi, a w terminologii
tkanek tworzą one bardzo małą populację,
angielskojęzycznej cancer stem cells (CSCs)
najczęściej stanowiąc tylko 1–2% wszystkich
lub tumor initiating cells (TICs) [6–8].
komórek, lecz ich obecność wydaje się nie-
Pojawienie się pierwszej komórki nowo-
zbędna w czasie całego życia pozapłodowe-
tworowej tłumaczy teoria somatycznych
go. Komórki macierzyste osób dorosłych
mutacji (the somatic mutation theory), która
(adult stem cells), poprzez asymetryczne po-
mówi, że w ciągu swojego życia komórka
działy tworzą odpowiednią liczbę komórek
akumuluje mutacje i staje się komórką no-
zróżnicowanych, które uzupełniają pulę ko-
wotworową, gdy osiągnie zdolność do nie-
mórek wyspecjalizowanych. Druga z komó-
kontrolowanych podziałów. Pewna pula
rek potomnych, powstających wskutek po-
mutacji (a nie tylko jedna mutacja) powodu-
działu asymetrycznego, pozostaje niezróżni-
je pojawienie się w komórkach zmian feno-
cowaną komórką macierzystą o identycz-
typowych i funkcjonalnych, które są odpo-
nych właściwościach jak ta, z której powsta-
wiedzialne za indukcję pluripotencjalnego
ła. Asymetryczny podział komórek macie-
potencjału typowego dla komórek macie-
rzystych służy więc zarówno do odnowienia
rzystych [9].
ich puli, jak i do zapoczątkowania drogi róż-
Wymienia się obecnie trzy teorie opisu-
nicowania do określonego typu komórek.
jące przebieg procesu kancerogenezy, z któ-
W warunkach prawidłowych komórki ma-
rych pierwsza — teoria stochastyczna — ma
cierzyste dzielą się rzadko. W szpiku kost-
już raczej tylko charakter historyczny. Mówi
nym zaledwie 10% komórek macierzystych
ona, że wszystkie komórki nowotworowe są
jednocześnie znajduje się w fazach S/G2/M
takie same (homogenność), mają identycz-
(fazie replikacji, przedpodziałowej lub mito-
ny potencjał rozwojowy i wszystkie są zdol-
zy), co świadczy o tym, że mimo nieograni-
ne do indukowania progresji choroby
czonej aktywności proliferacyjnej, komórki
(ryc. 1). W wielu doświadczeniach przepro-
macierzyste stosunkowo rzadko ulegają po-
wadzonych in vitro oraz in vivo zaobserwo-
działom. Niewielka aktywność proliferacyj-
wano jednak, że komórki nowotworowe
na pełni funkcję mechanizmu chroniącego
charakteryzuje duża heterogenność pod
komórki przed wyczerpaniem się ich puli
względem morfologii, fenotypu, zdolności
i przed mutacjami, jakie często pojawiają się
proliferacyjnych, potencjału różnicowania
w czasie replikacji [2].
oraz odporności na zastosowaną terapię [7].
Dla wielu typów
nowotworów wykazano,
że rozwijają się one
z komórek o cechach
przypominających
komórki macierzyste
pluripotencjalne
Na podstawie tych danych zaproponowano
CO TO SĄ NOWOTWOROWE
inne teorie tłumaczące rozwój chorób nowo-
KOMÓRKI MACIERZYSTE?
tworowych i towarzyszących im zjawisk, któ-
Już w 1858 roku Rudolf Virchow zapropono-
re jednocześnie uwzględniają występowanie
wał teorię o embrionalnym pochodzeniu
CSCs. Pierwsza z koncepcji mówi o hierar-
Forum Medycyny Rodzinnej 2011, tom 5, nr 1, 47–56
49
WYBRANE
PROBLEMY
KLINICZNE
Komórka, która przejdzie transformację nowotworową
Komórka nowotworowa w modelu 1.
Model
stochastyczny
CSCs w modelu 2.
CSCs pierwszorzędowa w modelu 3.
CSCs drugorzędowa w modelu 3.
CSCs przerzutująca w modelu 3.
Dojrzewające komórki nowotworowe w modelu 2.
Model
hierarchiczny
Kancerogenne zmiany genetyczne/epigenetyczne
Model klonalnej
ekspansji
Rycina 1. Porównanie trzech koncepcji rozwoju choroby nowotworowej
chicznym układzie komórek, a druga pod-
komórek potomnych odpowiadają komórki
kreśla rolę klonalnej ekspansji CSCs o naj-
aktywnie proliferujące [7].
korzystniejszych cechach dla wzrostu i rozwoju nowotworu (ryc. 1) [4].
50
Inna koncepcja zakłada, że dany nowotwór rozwija się dzięki klonalnej ekspansji
Według teorii hierarchicznej tylko nie-
jednej z komórek, która nabyła najkorzyst-
liczna populacja komórek nowotworowych
niejsze zmiany onkogenne i która poprzez
posiada potencjał formowania guza i tylko
aktywną proliferację zdominowała inne typy
te komórki odpowiadają za rozwój i progre-
CSCs w danej niszy (pierwszorzędowa/pier-
sję nowotworu, za tworzenie fenokopii guza
wotna CSC — primary CSC), a jej klonalne
zarówno po przerzutowaniu, jak i w czasie
potomstwo zdominowało wszystkie komór-
ksenotransplantacji ludzkich komórek no-
ki nowotworowe. Ten stan trwa do czasu, gdy
wotworowych do zwierząt laboratoryjnych.
jedna z potomnych komórek nabędzie jakąś
Nowotworowe komórki macierzyste potra-
nową mutację, która da jej przewagę nad
fią tworzyć wszystkie rodzaje zróżnicowa-
innymi komórkami i wówczas ona, poprzez
nych komórek, jakie można znaleźć w da-
klonalną ekspansję, przerośnie nowotwór
nym typie nowotworu. Istnieje hierarchia
(drugorzędowa/wtórna CSC — secondary
zróżnicowania tych komórek, podobna do
CSC). W wyniku którejś kolejnej takiej
tej, jaką obserwuje się w przypadku rozwo-
zmiany, CSCs mogą się stać zdolne do
ju komórek macierzystych w ich fizjologicz-
opuszczenia swojej dotychczasowej niszy
nych niszach: komórki macierzyste — pro-
i tworzenia przerzutów (przerzutująca CSC
genitorowe — dojrzałe. Ponieważ same
— metastatic CSC). Teoretycznie, w każdej
CSCs bardzo rzadko ulegają podziałom, co
odrębnej niszy, takie klonalne ekspansje
prawdopodobnie sprzyja ochronie DNA
mogą zachodzić niezależnie od siebie [10].
przed nowymi mutacjami, za niezwykłą zdol-
Dowodem na to mogą być zmiany fenotypu
ność nowotworu do tworzenia dużej liczby
komórek CSCs raka jelita grubego, które po
www.fmr.viamedica.pl
Magdalena Szaryńska, Zbigniew Kmieć
Nowotworowe komórki macierzyste
nabyciu zdolności do inwazji i tworzenia prze-
czalnych zademonstrowano, że jeżeli soma-
CD133high
tyczne komórki macierzyste wyizoluje się, to
na CD133low [6]. Takim czynnikiem selekcyj-
poza swoją fizjologiczną niszą tracą one swoje
nym może być również zjawisko oporności
normalne funkcje i nabywają właściwości
na stosowaną radio- czy chemioterapię. Prze-
kancerogennych. Wykazano, że w wyniku ist-
żywają tylko te komórki, które zaadaptowały
nienia przewlekłego stanu zapalnego zmianie
się do nowych warunków otoczenia poprzez
może ulec mikrośrodowisko, co w konse-
wykształcenie mechanizmów ochronnych.
kwencji może prowadzić do rozwoju nowo-
Należy zaznaczyć, że prawdopodobnie
tworu [9], jak to ma miejsce na przykład
w czasie rozwoju choroby nowotworowej
w przypadku raka jelita grubego w przebiegu
mamy do czynienia ze współistnieniem zja-
nieswoistych zapaleń jelita grubego [11].
rzutów zmieniły swój fenotyp z
wisk opisywanych przez obie teorie. W wy-
Ogromne znaczenia dla funkcjonowania
niku klonalnej ekspansji dochodzi do selek-
CSCs w danej niszy ma stan hipoksji (niedo-
cji CSCs, które następnie są źródłem całej
tlenienia), jaki tam panuje i jaki jest aktyw-
hierarchii heterogennych komórek nowo-
nie wywoływany i utrzymywany przez ko-
tworowych [10].
mórki nowotworowe [3]. W warunkach fizjologicznych jedynie komórki macierzyste,
ZNACZENIE NISZY DLA ROZWOJU CSCs
spośród wszystkich prawidłowych komórek
Nisza jest to specyficzne mikrośrodowisko,
ciała, potrzebują do swojego prawidłowego
w którym są zlokalizowane komórki danego
funkcjonowania warunków niedotlenie-
typu. W jej skład wchodzą komórki, składni-
nia [12, 13], co stanowi kolejne podobień-
ki macierzy pozakomórkowej oraz czynniki
stwo CSCs do tkankowych komórek macie-
rozpuszczalne, takie jak cytokiny lub czynni-
rzystych. Hipoksja wywołuje wiele proce-
ki wzrostu, które mogą być również wydzie-
sów, które są indukowane dzięki aktywacji
lane na drodze auto- czy parakrynnej przez
czynnika transkrypcyjnego HIF (hypoxia in-
komórki danej niszy. Warunki, jakie panują
ducible factor). W badaniach doświadczal-
w obrębie niszy, regulują podziały, różnico-
nych wykazano, że CSCs dzięki czynnikowi
wanie, angiogenezę oraz tworzenie przerzu-
HIF zwiększają progresję choroby. Czynnik
tów przez CSCs. Komórki te odpowiadają na
ten reguluje ekspresję genów wielu białek
sygnały generowane przez wszystkie elemen-
kluczowych dla funkcjonowania komórek,
ty danego mikrośrodowiska i dodatkowo są
dzięki którym sprawnie one reagują i odpo-
w stanie je modyfikować, tworząc środowisko
wiadają na zmiany stężenia parcjalnego tle-
optymalne dla swego rozwoju. Warunki mi-
nu w otoczeniu [14]. Między innymi HIF od-
krośrodowiska mają ogromne znaczenie dla
powiada za aktywację genów związanych
utrzymania odpowiedniej puli CSCs w stanie
z przełączeniem metabolizmu na beztlenowy,
niezróżnicowanym, podobnie jak to jest
bardziej wydajny transport glukozy do wnę-
w przypadku somatycznych komórek macie-
trza komórek oraz indukcję angiogenezy.
rzystych w niszach tkankowych. Oprócz tego,
Większość komórek może w stanie pra-
jak pokazały wyniki badań, zmiany w obrębie
widłowym funkcjonować tylko w obrębie
niszy mogą indukować proces nowotworze-
swojej niszy, podczas gdy CSCs i ich komór-
nia lub wręcz przeciwnie — hamować go,
ki potomne są w stanie kreować dogodne dla
nawet w przypadku nagromadzenia się zmian
swojego rozwoju warunki mikrośrodowiska
proonkogennych [8]. Nisza może kontrolo-
i potrafią przetrwać w innych, nietypowych
wać procesy nowotworzenia między innymi
dla siebie miejscach organizmu, w tak zwa-
poprzez kontrolę ekspresji genów (mechani-
nych niszach przedprzerzutowych (premeta-
zmy epigenetyczne). W warunkach doświad-
static niche). Tam adaptują się do istnieją-
Forum Medycyny Rodzinnej 2011, tom 5, nr 1, 47–56
51
WYBRANE
PROBLEMY
KLINICZNE
cych warunków, by następnie dostosować je
gły w błonie śluzowej żołądka przejść trans-
do swoich potrzeb, co jest niezbędne dla
formację nowotworową i dać początek rako-
rozwoju nowego guza w miejscu, dokąd
wi żołądka [21]. Dodatkowo, na podstawie
przedostały się w trakcie tworzenie przerzu-
obserwacji podobieństw kancerogenezy do
tów. Dodatkowo, istotną rolę w obrębie ni-
prawidłowej ontogenezy jelita grubego, za-
szy nowotworowych odgrywa swoiste mikro-
sugerowano, że rak jelita grubego może się
środowisko immunologiczne w obrębie
wywodzić od komórek macierzystych osia-
guza, które cechuje immunosupresja, czyli
dłych w nabłonku w czasie życia płodowe-
wyciszenie aktywności komórek układu od-
go [16, 22].
pornościowego [15].
Zestawienie cech nowotworowych komórek macierzystych, wspólnych z właściwo-
Stosowane obecnie
środki terapeutyczne
zawodzą w wielu
przypadkach różnych
rodzajów nowotworów,
ponieważ nie działają na
CSCs
52
POCHODZENIE I WŁAŚCIWOŚCI CSCs
ściami prawidłowych komórek macierzy-
Uważa się, że CSCs mogą się rozwijać z pra-
stych oraz cech swoistych CSCs, przedsta-
widłowych komórek macierzystych lub po-
wiono w tabeli 1.
wstających z nich częściowo zróżnicowanych
komórek
(progenitorowych)
obecnych
ZASTOSOWANIA KLINICZNE WIEDZY
w danej niszy lub też mogą pochodzić od
O CSCs
w pełni zróżnicowanych komórek somatycz-
Stosowane obecnie środki terapeutyczne
nych [9, 16–18]. Kwestii tej nie można roz-
zawodzą w wielu przypadkach różnych ro-
strzygnąć w sposób jednoznaczny dla więk-
dzajów nowotworów, ponieważ nie działają
szości znanych typów nowotworów. Prawi-
na CSCs. Terapia jest stosunkowo skutecz-
dłowe tkankowe komórki macierzyste mają
na wobec proliferujących lub zróżnicowa-
długi czas życia, więc może w nich dojść do
nych komórek guza, natomiast z reguły jest
nagromadzenia wystarczającej liczby muta-
nieefektywna wobec komórek odpowie-
cji, by przejść transformację nowotworową.
dzialnych za rozwój i progresję nowotworu.
Posiadają one zdolność do podziałów i po-
Zaobserwowano, że stosowanie niektórych
tencjał do różnicowania się, więc łatwiej im
terapeutyków (np. Letrozole, Docetaxel)
osiągnąć „nieśmiertelność” (czyli zdolność
w leczeniu raka piersi powoduje selekcję ko-
do niekontrolowanych podziałów) i wy-
mórek i znaczny wzrost względnego udzia-
mknąć się spod kontroli białek regulujących
łu CSCs wśród komórek guza. Oznacza to,
cykl komórkowy. Na przykład, w ekspery-
że CSCs charakteryzują się rzeczywiście
mentalnych modelach nowotworów skóry
większą odpornością na działanie chemiote-
stwierdzono, że CSCs pochodzą od tkanko-
rapeutyków [25]. Dodatkowo, zaobserwo-
wych komórek macierzystych [19]. Dla nie-
wano, że CSCs potrafią przeprowadzać fu-
których białaczek wykazano, że CSCs wy-
zje z komórkami somatycznymi danej niszy.
wodzą się z wczesnych prekursorów, które
Takie tak zwane chimeryczne komórki są
zachowały markery własnej linii rozwojowej
bardziej agresywne i bardziej odporne na
i jednocześnie reaktywowały aktywność ge-
terapię [26].
nów związanych z samoodnawianiem się, co
Problem w opracowaniu strategii walki
stanowi typową cechę komórek macierzy-
z CSCs polega na tym, że ich identyfikacja
stych [20]. Zaskakujące było odkrycie u my-
oparta jest głównie na markerach fenotypo-
szy, że nowotwór żołądka może pochodzić
wych (obecności pewnych białek powierzch-
od komórki progenitorowej, która przywę-
niowych), które dla każdego typu nowotwo-
drowała tam ze szpiku kostnego. Komórki
ru mogą być różne. Nie jest znany jeden uni-
szpikowe, które były rekrutowane do miejsc
wersalny marker CSCs. Dodatkowo, charak-
infekcji bakteriami Helicobacter pylori, mo-
terystyka tych komórek i ich podatności na
www.fmr.viamedica.pl
Magdalena Szaryńska, Zbigniew Kmieć
Nowotworowe komórki macierzyste
Tabela 1
Właściwości CSCs wspólne i różniące je od prawidłowych komórek macierzystych
Wspólne z prawidłowymi komórkami macierzystymi
1.
Zdolność do samoodnowy (symetryczne lub asymetryczne podziały komórkowe)
2.
Zdolność do różnicowania się we wszystkie typy komórek danej tkanki/danego typu nowotworu
3.
Niska aktywność proliferacyjna, co zapobiega powstawaniu nowych mutacji w trakcie replikacji DNA
4.
Odporność na działanie czynników uszkadzających DNA (wolne rodniki, toksyny, promieniowanie UV)
5.
Niski odsetek pośród wszystkich komórek tkanki nowotworowej (w obrębie danej niszy)
(np. dla raka prostaty ta proporcja wynosi 0,1%)
6.
Swoisty fenotyp — zestaw markerów powierzchniowych, np. obecność białek CD24, CD44, CD133,
które występują na wszystkich CSCs, w różnej proporcji w zależności od typu nowotworu
7.
Zmiany molekularne:
t
Wzrost stężenia jądrowej b-kateniny — między innymi poprzez zahamowanie ekspresji
E-kadheryny (białko błonowe, do którego jest przyłączona b-katenina w prawidłowych warunkach) lub poprzez dezaktywację białka APC odpowiedzialnego za degradację b-kateniny
t
Demetylacja histonu H3 — umożliwia rozluźnienie struktury chromatyny
t
Ekspresja genów typowych dla komórek macierzystych: Oct4, Notch, Aldh1, Sox1
t
Indukcja mechanizmów wydłużania telomerów na końcach chromosomów poprzez aktywację
telomerazy lub innych alternatywnych mechanizmów wydłużania telomerów, co zapobiega
replikacyjnemu starzeniu się komórek
Swoiste cechy CSCs
1.
Zdolność do samoodtwarzania, czyli do odtwarzania guza w mechanizmach przerzutowania
lub w doświadczalnych modelach ksenotransplantacji
2.
Odporność na leki (chemioterapeutyki), wolne rodniki i radioterapię (czyli na czynniki indukujące
powstawanie nowych mutacji) poprzez:
t
nadprodukcję transporterów ABC (odpowiedzialnych za zjawisko oporności wielolekowej)
t
wydajne mechanizmy wykrywania i naprawy uszkodzeń DNA
t
indukcję stanu niedotlenienia
3.
Lokalizacja w warstwie rozrodczej na obrzeżach guza
4.
Zdolność do migracji z obrębu guza do innych tkanek — tworzenie przerzutów
5.
Zdolność do ucieczki spod aktywności układu odpornościowego m.in. poprzez:
t
Tak zwane przeciwuderzenie (counterattack), czyli syntezę i/lub wydzielanie cząsteczek
typowych dla efektorowych limfocytów, które indukują apoptozę w komórkach odpornościowych, np. FasL, TRAIL
`
t
Wydzielanie chemoatraktantów dla niedojrzałych komórek dendrytycznych. Komórki te
osiedlają się wewnątrz guza, pozostają w stanie nieaktywnym i wspierają immunosupresyjne
funkcje CSCs
6.
Odporność na sygnały indukujące apoptozę (czyli programowaną, kontrolowaną śmierć komórki)
— m.in. poprzez:
`
t
autokrynną produkcję IL-4
`
t
nadekspresję surwiwiny i innych białek antyapoptotycznych
Opracowano na podstawie danych zawartych w cytowanych publikacjach [1, 5–7, 9, 23, 24].
różne rodzaje terapii zależy od modelu, na
jest wykrywana w guzie powstałym w wyni-
którym są przeprowadzane badania. Klu-
ku przeszczepiania takiemu zwierzęciu ba-
czowy tutaj wydaje się być dobór odpowied-
danego nowotworu człowieka (ksenotran-
niego szczepu zwierząt doświadczalnych
splantacja) [27, 28]. Należy również pamię-
(głównie są to myszy) i stopień niedoboru ich
tać, że nowotwór u człowieka może się roz-
układu odpornościowego. Im bardziej upo-
wijać przez wiele lat i zanim zostanie wykry-
śledzone funkcje immunologiczne, tym wy-
ty, często ma już znaczące rozmiary. W sto-
ższa proporcja komórek o fenotypie CSCs
sowanych modelach zwierzęcych nowotwo-
Forum Medycyny Rodzinnej 2011, tom 5, nr 1, 47–56
53
WYBRANE
PROBLEMY
KLINICZNE
Dla CSCs raka piersi
wykazano, że mają one
mniejszą skłonność do
wytwarzania połączeń
międzykomórkowych i są
bardziej skłonne do
odłączania się od
agregatów komórek
nowotworowych niż
komórki zróżnicowane
ry rozwijają się od kilku do kilkudziesięciu
zespół zaobserwował podobne zjawisko dla
tygodni, więc nie są w stanie wywołać takich
tej samej linii komórek (przywrócenie wraż-
długofalowych skutków. Dodatkowo, nale-
liwości na 5-fluorouracyl) po wyciszeniu
ży wziąć pod uwagę krótszy czas życia zwie-
aktywności kinazy FAK sprzężonej z integry-
rząt doświadczalnych. Te obserwacje do-
nami przy użyciu zjawiska interferencji
wodzą, jak trudno jest stworzyć dobry model
RNA [30]. Jednocześnie dla CSCs raka pier-
badawczy, który oddawałby złożoność
si wykazano, że mają one mniejszą skłonność
wszystkich elementów ważnych dla skutecz-
do wytwarzania połączeń międzykomórko-
nej terapii antynowotworowej i który by
wych i są bardziej skłonne do odłączania się
w pełni naśladował jak największą liczbę zja-
od agregatów komórek nowotworowych niż
wisk wywołujących nowotwór i/lub wywoły-
komórki zróżnicowane [31]. Komórki macie-
wanych przez niego. Przykładem problemów
rzyste białaczek prawdopodobnie są odpor-
metodycznych badań doświadczalnych ko-
ne na chemioterapię w skutek ich przyłącza-
mórek nowotworowych jest fakt, że wciąż
nia się do komórek zrębu lub elementów
pewne grupy badaczy testują terapeutyki na
macierzy pozakomórkowej szpiku kostnego.
komórkach hodowanych w postaci jednej
Zastosowanie liganda dla b1 integryny osła-
warstwy (hodowle dwuwymiarowe, tj. 2D),
bia te wiązania i przywraca wrażliwość tych
podczas gdy wiadomo, że hodowle przepro-
komórek na chemioterapię [32, 33].
wadzone w postaci przestrzennych trójwy-
Inną potencjalną strategią walki z CSCs
miarowych struktur (3D) znacznie lepiej
jest indukcja ich podziałów i dojrzewania, aby
zachowują warunki niszy fizjologicznej. Jed-
stały się podatne na działanie standardowych
nocześnie testowanie leków w warunkach
chemioterapeutyków czy radioterapii. W przy-
3D pozwala na uzyskanie bardziej wiarygod-
padku nowotworów krwi można stosować
nych wyników, ponieważ brane są pod uwa-
kwas retinowy, który stymuluje dojrzewanie
gę również interakcje między komórkami
CSCs i poprzez to poprawia znacznie skutecz-
nowotworowymi w obrębie struktur trójwy-
ność terapii [34]. Zaproponowano stosowanie
miarowych (sfer) za pośrednictwem po-
środków skracających przerwy w czasie trwa-
wierzchniowych białek adhezyjnych (inte-
nia cyklu komórkowego, co zmniejsza czas
gryn i kadheryn). Wykazano, że powstawa-
działania wewnątrzkomórkowych mechani-
nie wiązań między komórkami nowotworo-
zmów naprawy DNA i tym samym zwiększa
wymi w obrębie struktur 3D jest odpowie-
wrażliwość komórek na radioterapię [35].
dzialne za wytworzenie tak zwanej wieloko-
Kolejne strategie mogą być skierowane prze-
mórkowej oporności na terapię (MCR, mul-
ciwko ścieżkom sygnalizacyjnym związanym
ticellular resistance), która wynika z ograni-
z funkcjonowaniem CSCs, na przykład ścież-
czonej penetracji terapeutyków do wnętrza
ce inicjowanej przez receptor Wnt. Pierwsze
sferycznych struktur in vitro czy do wnętrza
sukcesy zanotowano już w przypadku raka
guza in vivo. Prowadzone są próby zwiększe-
skóry, gdzie wyłączenie tej ścieżki na etapie
nia wydajności terapii dzięki zastosowaniu
b-kateniny niszczy CSCs i umożliwia całkowi-
środków niszczących strukturę trójwymia-
ty regres choroby w modelu mysim [19].
rową guzów nowotworowych. Zademon-
54
strowano, że nadekspresja semaforyny 3F
PODSUMOWANIE
(naturalnego
udział
Komórki macierzyste od momentu ich od-
w przekazywaniu sygnału wewnątrz komór-
krycia stanowią wciąż zagadkę, nad której
ki) powoduje obniżenie ekspresji integryny
rozwiązaniem pracuje coraz więcej grup
aub3 i przywraca wrażliwość na leki komó-
badawczych. Uzyskiwane informacje stają
rek linii raka jelita grubego HT29 [29]. Inny
się źródłem nowych pytań, ponieważ wciąż
białka
biorącego
www.fmr.viamedica.pl
Magdalena Szaryńska, Zbigniew Kmieć
Nowotworowe komórki macierzyste
są odkrywane nowe aspekty związane
rwać od guza pierwotnego (dzięki swoim
z CSCs. Odkrycie CSCs stanowiło bez-
dużym skłonnościom do migracji) i osiąść
sprzecznie przełom w badaniach nad ra-
w innych miejscach. Z dużym prawdopodo-
kiem, a metody terapii skierowane przeciw-
bieństwem staną się one później źródłem
ko CSCs prawdopodobnie znacznie popra-
regresji choroby. Z tego powodu wysiłek
wią skuteczność leczenia pacjentów onkolo-
badaczy obecnie jest skierowany na opraco-
gicznych. W przypadku nowotworów, gdzie
wanie metod terapii uzupełniającej, która
pierwszą i podstawową metodą terapii jest
byłaby swoista względem mikroprzerzutów
chirurgiczne usunięcie zajętego fragmentu,
niewykrywalnych przy użyciu znanych me-
należy pamiętać, że CSCs mogły już się ode-
tod diagnostycznych.
PIŚMIENNICTWO
1.
Stricker T.P., Kumar V. Rozdział 7: Neoplasia. W:
13. Parmar K., Mauch P., Vergilio J.A. i wsp. Distribu-
Kumar V., Abbas A.K., Fausto N. i wsp. Robbins
tion of hematopoietic stem cells in the bone mar-
and Cotran Pathologic basis of disease. Wyd. 8.
row according to regional hypoxia. Proc. Natl.
Philadelphia, Saunders Elsevier Inc. 2010; 259–
–330.
2.
Preston S.L., Alison M.R., Forbes S.J. i wsp. The
Tumour-microenvironmental interactions: Paths
new stem cell biology: something for everyone.
to progression and targets for treatment. Semin.
Mol. Pathol. 2003; 56: 86–96.
3.
15. LaBarge M.A. The difficulty of targeting cancer
inducible factors in cancer stem cells. Br. J. Can-
stem cell niches. Clin. Cancer Res. 2010; 16:
16. Neureiter D., Herold C., Ocker M. Gastrointesti-
tiating human acute myeloid leukaemia after
nal cancer — only a deregulation of stem cell dif-
367: 645–648.
6.
thelial cancer biology in the context of stem cells:
mar V., Abbas A.K., Fausto N. i wsp. Robbins and
tumor properties and therapeutic implications.
Cotran Pathologic basis of disease. Wyd. 8. Phi-
Biochim. Biophys. Acta 2005; 1756: 25–52.
ladelphia, Saunders Elsevier Inc. 2010; 79–110.
18. Sonnenschein C., Soto A.M. Theories of carcino-
Ricci-Vitiani L., Lombardi D.G., Pilozzi E. i wsp.
genesis: an emerging perspective. Semin. Can-
cer-initiating cells. Nature 2007; 445: 111–115.
8.
9.
ferentiation? Int. J. Mol. Med. 2006; 17: 483–489.
17. Miller S.J., Lavker R.M., Sun T.T. Interpreting epi-
Tissue renewal, regeneration and repair. W: Ku-
Identification and expansion of human colon-can7.
3121–3129.
Lapidot T., Sirard C., Vormoor J. i wsp. A cell initransplantation into SCID mice. Nature 1994;
5.
Cancer Biol. 2010 (on line).
Heddleston J.M., Li Z., Lathia J.D. i wsp. Hypoxia
cer 2010; 102: 789–795.
4.
Acad. Sci. USA 2007; 104: 5431–5436.
14. Box C., Rogers S.J., Mendiola M., Eccles S.A.
cer Biol. 2008; 18: 372–377.
19. Malanchi I., Peinado H., Kassen D. i wsp. Cuta-
Ricci-Vitiani L., Fabrizi E., Palio E. i wsp. Colon can-
neous cancer stem cell maintenance is depen-
cer stem cells. J. Mol. Med. 2009; 87: 1097–1104.
dent on beta-catenin signalling. Nature 2008;
Neuzil J., Stantic M., Zobalova R. i wsp. Tumour-
452: 650–653.
-initiating cells vs. cancer ‘stem’ cells and CD133:
20. Krivtsov A.V., Twomey D., Feng Z. i wsp. Trans-
what’s in the name? Biochem. Biophys. Res.
formation from committed progenitor to leuka-
Commun. 2007; 355: 855–859.
emia stem cell initiated by MLL-AF9. Nature
Salama P., Platell C. Colorectal cancer stem
cells. ANZ J. Surg. 2009; 79: 697–702.
10. Takebe N., Ivy S.P. Controversies in cancer stem
cells: targeting embryonic signaling pathways.
Clin. Cancer Res. 2010; 16: 3106–3112.
2006; 442: 818–822.
21. Houghton J., Stoicov C., Nomura S. i wsp. Gastric
cancer originating from bone marrow-derived
cells. Science 2004; 306: 1568–1571.
22. Gostjeva E.V., Zukerberg L., Chung D., Thilly
11. Wierzbicki P.M., Adrych K., Kartanowicz D. i wsp.
W.G. Bell-shaped nuclei dividing by symmetrical
Overexpression of the fragile histidine triad
and asymmetrical nuclear fission have qualities
(FHIT) gene in inflammatory bowel disease.
of stem cells in human colonic embryogenesis
J. Physiol. Pharmacol. 2009; 60 (supl. 4): 57–62.
and carcinogenesis. Cancer Genet. Cytogenet.
12. Bissell M.J., Labarge M.A. Context, tissue plasti-
2006; 164: 16–24.
city, and cancer: are tumor stem cells also regu-
23. Di Stefano A.B., Iovino F., Lombardo Y. i wsp.
lated by the microenvironment? Cancer Cell.
Survivin is regulated by interleukin-4 in colon
2005; 7: 17–23.
cancer stem cells. J. Cell. Physiol. 2010 (on line).
Forum Medycyny Rodzinnej 2011, tom 5, nr 1, 47–56
55
WYBRANE
PROBLEMY
KLINICZNE
24. Zhu Q., Liu J.Y., Xu H.W. i wsp. Mechanism of
30. Chen Y.Y., Wang Z.X., Chang P.A. i wsp. Knock-
counterattack of colorectal cancer cell by Fas/
down of focal adhesion kinase reverses colon
/Fas ligand system. World J. Gastroenterol. 2005;
carcinoma multicellular resistance. Cancer Sci.
11: 6125–6129.
31. Walia V., Elble R.C. Enrichment for breast cancer
breast cancers after conventional therapy di-
cells with stem/progenitor properties by differen-
splay mesenchymal as well as tumor-initiating
features. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009; 106:
13 820–13 825.
26. Lluis F., Cosma M.P. Cell-fusion-mediated somatic-cell reprogramming: a mechanism for tissue
regeneration. J. Cell. Physiol. 2010; 223: 6–13.
tial adhesion. Stem. Cells Dev. 2010 (on line).
32. Wang L., Fortney J.E., Gibson L.F. Stromal cell
protection of B-lineage acute lymphoblastic leukemic cells during chemotherapy requires active Akt. Leuk. Res. 2004; 28: 733–742.
33. Matsunaga T., Fukai F., Miura S. i wsp. Combina-
27. Schatton T., Murphy G.F., Frank N.Y. i wsp. Iden-
tion therapy of an anticancer drug with the FNIII14
tification of cells initiating human melanomas.
peptide of fibronectin effectively overcomes cell
Nature 2008; 451: 345–349.
adhesion-mediated drug resistance of acute my-
28. Quintana E., Shackleton M., Sabel M.S., Fullen
D.R., Johnson T.M., Morrison S.J. Efficient tumour
formation by single human melanoma cells. Nature 2008; 456: 593–598.
29. Zheng C, Zhou Q, Wu F i wsp. Semaphorin3F down-
56
2009; 100: 1708–1713.
25. Creighton C.J., Li X., Landis M. i wsp. Residual
elogenous leukemia. Leukemia 2008; 22: 353–
–360.
34. Okuno M., Kojima S., Matsushima-Nishiwaki R.
i wsp. Retinoids in cancer chemoprevention.
Curr. Cancer Drug Targets. 2004; 4: 285–298.
regulates the expression of integrin alpha(v)beta3
35. Bao S., Wu Q., McLendon R.E. i wsp. Glioma stem
and sensitizes multicellular tumor spheroids to che-
cells promote radioresistance by preferential
motherapy via the neuropilin-2 receptor in vitro. Che-
activation of the DNA damage response. Nature
motherapy 2009; 55: 344–352.
2006; 444: 756–760.
www.fmr.viamedica.pl