Rak in maticne celice

Comments

Transcription

Rak in maticne celice
Fotografija: Zavod za transfuzijsko medicino
T E M A M E S E C A – M AT I Č N E C E L I C E
Rakave celice, ki
nastanejo iz prednic
spolnih celic. Rdeče
je obarvan protein,
značilen za ta tip
celic, modro pa so
obarvana celična
jedra.
Rak in matične celice – dve plati medalje
Rak ni bolezen moderne dobe, res pa je, da ga je
vsak dan več. Tveganje za nastanek raka povečujejo zunanji dejavniki – kemijski in fizikalni onesnaževalci okolja, sevanje in neravnotežje v našem
organizmu, od stresa do imunskih obolenj. Res je
tudi, da bi z dobro preventivo po nekaterih virih
lahko zmanjšali njegovo pojavnost kar za polovico.
Upoštevati je treba tudi dejstvo, da vse večji obseg temeljnih raziskav in njihove uporabe precej
prispevajo k ozdravitvi tega obolenja. Zmanjšano
umrljivost opažamo predvsem pri levkemiji in raku
na dojki, kmalu pa pričakujemo podobne rezultate tudi pri raku na pljučih. V zadnjih 20 letih so se
začele pojavljati dobro utemeljene hipoteze o ob-
stoju rakavih matičnih celic. Znanstvene revije s
področja raka in celične biologije danes pogosto
objavljajo poročila o raziskavah s tega področja.
Uporaba spoznanj o rakavih matičnih celicah bo
drastično vplivala na nove pristope k zdravljenju
te bolezni, saj ta spoznanja razlagajo, zakaj nekatere konvencionalne terapije niso uspešne ali
celo poslabšajo bolnikovo stanje. Čeprav ti pristopi še niso del klinične medicine, se na tem področju pojavlja vse več novih proizvodov in storitev.
Pričakujemo, da bodo povečana vlaganja v razvoj
znanja, predkliničnih študij in novih zdravil, ki naj
bi bila usmerjena v uničevanje rakavih matičnih
celic, kmalu obrodila sadove v onkologiji.
Besedilo: Tamara Lah Turnšek
GEA 2_prelom_FEBRUAR 2011-ZADNJA.indd 24
20.1.2011 18:20:59
Prof. dr. Tamara Lah Turnšek je od leta 1996
direktorica Nacionalnega inštituta za biologijo,
na katerem je ustanovila Oddelek za genetsko
toksikologijo in biologijo raka in je vodja raziskovalnega programa tega oddelka. V zadnjih 15
letih s svojo skupino raziskuje področje molekularnih mehanizmov v zvezi z nastankom in napredovanjem raka, s poudarkom na raku dojke
in možganov. V zadnjem času se osredotoča
predvsem na raziskave rakavih matičnih celic in
na raziskave mezenhimskih matičnih celic v povezavi z zdravljenjem raka. Je tudi profesorica
na dodiplomskem študiju biokemije na Fakulteti
za kemijo in kemijsko tehnologijo ter na podiplomskem študiju biomedicine. Redno sodeluje v mednarodnih raziskovalnih projektih in na
konferencah, je soorganizatorka mednarodnih
konferenc o eksperimentalni in translacijski onkologiji – CETO v Kranjski Gori ter predsednica
nacionalne Komisije za uveljavitev vloge žensk
v znanosti in visokem šolstvu.
V
biologiji je mogoče karkoli razumeti le, če na to gledamo z
vidika evolucije. Znani evolucijski biolog Theodorus Dobzhansky je to zapisal že v 80. letih prejšnjega
stoletja. Morda se zdi nenavadno, a to
velja tudi za razvoj rakavih bolezni, saj je
maligni tumor pravi evolucijski mikrokozmos. Hipoteza o klonalni evoluciji
tumorskih populacij, ki se je pojavila v
tistem času in pravi, da tumor nastane
iz, enake vrste celic, velja še danes. Skupaj s spoznanji o lastnosti matičnih celic
predstavlja nov koncept razvoja raka.
Hipoteza o monoklonalnem razvoju tumorjev pa trdi, da nastane tumor iz ene
same poškodovane (mutirane) celice.
Začetnim mutacijam* sledijo nove, ki
destabilizirajo celice tako, da postajajo
dovzetnejše za nove mutacije in tako
pridobijo večjo evolucijsko prednost,
kar pomeni, da lažje preživijo v spreminjajočem se tkivu, v katerem nastaja
nova tumorska masa. Gre torej za pravo darvinistično teorijo evolucije, ki v
tem primeru velja za rast novega, sistemu tujega organa – tumorja. Kakšne
so mutacije, ki so ugodne za preživetje
tumorske celice? Gre za zaporedje sprememb v jedru oziroma genskem zapisu
v tako imenovanih onkogenih* in tumor-supresorskih genih* in v določenih
genih (CIN-genih*), ki so odgovorni za
dodatno destabilizacijo novo nastajajoče
tumorske celice.
Rak je bolezen različnih celic, zato
je tudi njegov potek precej specifičen.
Do bolezni pride zaradi različ- primer kožo, kosti, jetra, možgane itn.
nih vzrokov, preživetje je različno, Iz neoblikovane kroglaste mase celic v
v različnih delih sveta se bolezen blastocisti (zarodku s približno 100 cepojavlja v različnih oblikah in pri licami) tako dobimo natančno oblikorazličnih segmentih populacije. V van organizem.
zadnjem desetletju je bilo dokazano, da lahko tudi v genetsko enakih Razvoj modelov nastanka in
celicah prihaja do razlik v delovanju delovanja rakavih matičnih celic
in obnašanju zaradi epigenetskih* Raziskave raka so privedle tudi do sposprememb v izražanju genov, ki niso znanja, da gre pri nastanku bolezni za
posledic a sprememb
v zaporedju DNK. To
Slovar
področje je razmeroma
Asimetrična delitev – delitev, pri kateri iz ene celice
novo in ga za zdaj še
ne nastaneta dve enaki, ampak je ena hčerinska celica
slabo razumemo, prispeenaka materinski, druga hčerinska celica pa se od nje
va pa h kompleksnemu
razlikuje. Tej pravimo tudi progenitorska celica.
Biomarker – je molekula – protein (beljakovina) ali gen,
problemu razvoja raka
ki označuje neko biološko stanje, kot na primer obstoj
oziroma nastanka rakave
raka (tumorski biomarker) ali matičnih celic (biomarker
matične celice.
matičnih celic). Biomarkerji se izražajo samo v celicah s
Matične celice
Zarodne celice so prve celice,
ki nastanejo po spojitvi semenčice in jajčeca. Zarodna
matična celica se deli naprej
– v skupku celic, ki nastanejo
iz zarodne celice po oploditvi
(blastula), nastane vrsta embrionalnih matičnih celic, ki
se ločijo v tri vrste zarodnih
plasti, te pa dalje v tkiva, v
katerih obstajajo tkivne, odrasle matične celice. Njihov
skupni imenovalec je embrionalna matična celica, iz
katere lahko teoretično in vitro (v nadzorovanem okolju
zunaj organizma) razvijemo
praktično vse tkivne celice –
razen seveda embrionalne ali
zarodne. Preobrazba v tkiva
poteka tako, da se celice delijo asimetrično. To pomeni,
da v eni delitvi ne nastaneta
dve enaki celici, ampak ena
enaka in ena spremenjena, ki
ji rečemo progenitorska ali
prehodno pomnoževalna celica. Simetrična delitev torej
pomeni povečevanje zaloge
matičnih celic, asimetrična pa le ohranjanje enakega števila in razvoj oziroma
oblikovanje novega tkiva
prek vedno bolj specializiranih celic v neki organ, na
+
specifičnimi lastnostmi in ne v drugih celicah istega tkiva,
organa ali organizma.
CIN-gen (chromosome instability gene) je gen, ki kodira beljakovino (protein), potrebno za ohranitev stabilne
zgradbe kromosoma, ki je porušena v začetnih fazah
karcinogeneze in vodi do nastanka mutacij.
Diferenciacija celic – pri delitvi matičnih celic je ena
od nastalih celic hčerinska ali progenitorska celica, ki
je bolj specifična oziroma dozorela v svoji funkciji (bolj
diferencirana). Končno diferencirana (dozorela) je celica,
ki je odgovorna za opravljanje neke naloge v delovanju
določenega organa.
Epigenetske spremembe – poškodbe DNK, ki niso
ne posledica mutacij ne sprememb zgradbe molekule
DNK, kljub temu pa se kažejo v spremenjeni beljakovini
(proteinu). Med drugim sem spadajo določene vrste kemijskih reakcij z molekulami DNA in/ali drugimi strukturami v jedru, ki vplivajo na prepisovanje genov v delujoče
beljakovine (proteine).
Glioblastom je najpogostejša in najnevarnejša oblika
možganskega tumorja, ki izvira iz glialnih celic.
Karcinogeneza – nastanek rakave celice.
Metastaziranje – pojav, ko se tumor iz organa, v katerem nastane, po krvnem ali limfnem obtoku razširi v druge organe in tvori zasevke (metastaze) z enako gensko
zasnovo, kot jo ima primarni tumor.
Mezenhimska matična celica – matična celica, ki obstaja v odraslem tkivu. Imenujemo jo tudi odrasla ali telesna (somatska) matična celica in se lahko razvije v celico
kateregakoli tkiva. Vzbudi se ob poškodbi ali odmiranju
tkiva, potuje po krvnem obtoku na mesto poškodbe in jo
popravi tako, da tam ustvari nove tkivne celice.
Mutacija – prvotna sprememba ene od aminokislin v
zgradbi beljakovine, ki je posledica spremenjenega gena
v molekuli DNK. V tem prispevku se izraz uporablja širše,
in sicer za vse prvotne poškodbe DNK, ki so lahko vzrok
za nastanek raka.
Onkogen – gen, ki je specifično aktiviran oziroma močno izražen v rakavih celicah in nosi zapis za nastanek
beljakovine, ki povzroča hitrejše deljenje celic in druge
značilne lastnosti rakavih celic.
Tumor-supresorski gen – gen, ki zdrave celice varuje
pred rakavimi spremembami. Ta zaščita je zaradi znižane
aktivnosti tega gena oziroma proteina v rakavih celicah
značilno zmanjšana.
GEA | 25 GEA 2_prelom_FEBRUAR 2011-ZADNJA.indd 25
20.1.2011 18:20:59
da imajo razvite mehanizme obrambe
proti obsevanju in so zmožne hitro popraviti poškodbe, ki so jih povzročili kemijski citostatiki, zaviralci celične rasti,
torej zaviralci rasti rakavih tvorb.
Fotografija: Dr. Irena Zajc in Saša Dermota
Pomen rakavih matičnih celic za
razumevanje nastanka raka
Tridimenzionalna rast normalnih živčnih (zgoraj) in glioblastomskih (spodaj) matičnih celic celičnih
kultur v epruveti. Z zeleno fluorescenco so označene invazivne celice, ki razgrajujejo okolnje tkivo in
proteine tkiva v okolici tumorja (v tem primeru kolagen).
podoben proces kot pri nastanku organov, saj tumor ni neoblikovana rastoča masa, ampak dobro hierarhično
organizirana skupina tumorskih celic z
različno vlogo in predeli v samem tkivu – tako imenovanimi nišami. Tako
v tumorju obstajajo predeli z večjo ali
nižjo koncentracijo kisika (hipoksični),
predeli, ki se ožiljajo (angiogeni), predeli, v katerih tumorske celice odmirajo
(nekrotični), pa tudi taki, v katerih nastajajo in se ohranjajo skupki tumorskih
matičnih celic – tistih, ki povzročajo
njegovo rast. Tumorske matične celice
imajo namreč v svojem genskem zapisu informacijo o tem, kakšen tumor bo
iz njih nastal, podobno kot embrionalne celice o tem, kakšen organ oziroma
organizem se bo oblikoval iz njih. Zadnje je precej odvisno od mikrookolja
te celice. Signali, ki jih tumorska celica sprejema od drugih celic v organu,
v katerem se razrašča tumor, kot so na
primer imunske ali podporne celice tkiv,
vplivajo na specifičen razvoj tumorja.
Rakave matične celice je že pred 150
leti predvidel in opisoval Rudolf Wirchow, patolog pruskega porekla, ki je
z izpopolnjenimi mikroskopskimi tehnikami podrobneje opazoval razvoj tumorjev in jih opredelil kot novo nastale
»organe«. Pozneje so odkrili številne
podobnosti med tumorsko in normalno matično celico: obe sta tako rekoč
nesmrtni, opravita lahko veliko število
delitev, v celični masi se ohranja skupek
celic v nediferenciranem* stanju, obe pa
imata tudi sposobnost asimetrične delitve. Danes poznamo tudi molekularne
poti, ki take asimetrične delitve omogočajo.
Pred slabim desetletjem se je pojavila hipoteza o obstoju tumorske matične
celice in model hierarhičnega razvoja
tumorja, ki so ju podprli številni avtorji, najprej pri levkemijah, pozneje tudi
na razvoju trdnih tumorjev. Dolgoletna
hipoteza naključne (stohastične) rasti
tumorja se je tako znašla pred izzivom.
Medtem ko stohastična teorija predvideva, da se tumor lahko razvije iz vsake
celice in da torej vsaka od celic lahko
tudi metastazira* (takšnemu dogodku
rečemo stohastičen), hierarhični model
dokazuje, da ima to sposobnost le omejeno število celic, in sicer rakave matične celice (Glej skico A). Hierarhični
model predvideva specifično organizacijo različnih celic novotvorbe. Vrsta
raziskav danes to potrjuje in vedno bolje
opredeljuje lastnosti rakavih matičnih
celic, za katere se je na primer izkazalo,
Do nedavnega je bilo najbolj zagonetno
vprašanje, kako strniti obe teoriji – monoklonalni nastanek tumorja z darvinistično klonalno selekcijo (evolucijo)
in hierarhični model nastanka tumorja
prek matičnih celic. Izkazalo se je, da
sta teoriji ne le združljivi, ampak se
celo dopolnjujeta, če upoštevamo dejstvo, da prva »mutirana«, spremenjena
celica ni nujno začetna rakava matična
celica, ampak se ta razvije šele med nadaljnjimi delitvami prve mutirane celice
v tumorski masi, značaj matične celice
pa pridobi šele pozneje. Te celice se potem ločijo v rakave celice z različnimi
lastnostmi in postopoma izgubijo značaj matičnih celic. Alternativno lahko
nastanejo rakave matične celice tudi iz
mutirane, normalne matične celice ali
njene progenitorske celice nekega organa. Normalne matične celice in njihovi neposredni progenitorji so namreč
najbolj dovzetni za mutacije in so zato
tarče številnih sprememb. Če ob teh
spremembah ohranijo funkcionalne lastnosti matičnih celic, lahko iz njih nastanejo rakave matične celice. Vidimo
torej, da je razvoj več klonov oziroma
vrst rakavih matičnih celic v eni sami
vrsti tumorjev ali celo v enem samem
primerku nekaj povsem običajnega –
govorimo o plastičnosti rakavih matičnih celic.
Pomen za zdravljenje raka
Ključno vprašanje pri zdravljenju raka
niso le izboljšani načini odstranjevanja
tumorskega tkiva, vrste in načini obsevanja ali nove kemijske strukture zdravil
in zaviralcev (inhibitorjev), usmerjenih
na določene molekule, ki pospešujejo
nastanek raka. Danes je ključni problem
vprašanje, ali usmerjamo zdravljenje v
prave celice. Do zdaj smo ciljali tumorske celice vsevprek, a se morda nismo
dovolj dobro zavedali, kako močno se
med seboj razlikujejo. Čeprav že dolgo
vemo, da tumor vsebuje različne vrste
26 | februar 2011
GEA 2_prelom_FEBRUAR 2011-ZADNJA.indd 26
20.1.2011 18:21:00
tumorskih celic , smo do nedavnega mislili, da je pomembno zmanjšati celotno
tumorsko maso. Danes vemo, da so za
ponovno pojavljanje tumorja pravzaprav odgovorne rakave matične celice.
Žal pa so prav te tudi najbolj odporne
na znane načine zdravljenja. Da rakavo
tkivo dokončno odstranimo, ga moramo
dobesedno izkoreniniti skupaj z rakavimi matičnimi celicami, podobno kot s
koreninami izpulimo plevel, ko čistimo
vrtne gredice. Koreninice so v tem primeru rakave matične celice, v katerih je
shranjen zapis za rast novega tumorja
(plevela).
Ker je tako celico težko »videti«, je
treba poiskati molekule (biomarkerje*),
ki jih ta celica značilno izraža. Zato so
danes v ospredju številnih raziskav biomarkerji rakavih matičnih celic. Razvoj
orodij za označevanje biomarkerjev je
prednostni cilj vrste biotehnoloških oziroma biofarmacevtskih podjetij v svetu.
Boljše poznavanje biomarkerjev tumorskih matičnih celic bo omogočilo vrsto
novih naprednih terapij, na primer nove
vrste genske terapije.
valno področje, ki zahteva poglobljeno
znanje splošne biologije celice. V dosedanjih raziskavah smo se omejili na dve
vrsti celic, in sicer na tkivne matične
celice in na rakave matične celice mož-
Raziskave pri nas
ganov (glioblastomi* ali GBM). Zadnji
predstavljajo približno 60–70 odstotkov
primerov malignih primarnih možganskih tumorjev pri odraslih in so povezani z visoko umrljivostjo (12 do 15 mesecev preživetja po diagnozi). So celično
različni in napadalni tumorji. Rezultati
Področje matičnih celic se bliskovito
razvija. Gre za novo področje biomedicine s skoraj največjim naraščanjem
objav v strokovni literaturi. Predvsem
s stališča drage opreme in materialnih
stroškov gre za precej zahtevno razisko-
Skica: Tamara Lah Turnšek
Skica: Tamara Lah Turnšek
Primerjava evolucije normalnih celic tkiva in tumorskih celic
številnih raziskovalnih skupin kažejo, da
v možganskem tumorju obstaja majhna
populacija glioblastomskih matičnih
celic, ki imajo lastnosti matičnih celic in izražajo tako rakave biomarkerje
in tudi označevalce normalnih, živčnih
matičnih celic (Slika 2). Ni znano, kako
nastanejo, saj lahko do nastanka raznih
vrst glioblastomskih matičnih celic privede vrsta celičnih procesov. Danes je
precej priljubljena hipoteza o obstoju
različnih vrst, se pravi hipoteza o plastičnosti glioblastomskih matičnih celic,
ki se lahko razvijajo tudi med samo rastjo tumorja ter se z novimi mutacijami
prilagajajo hitro spreminjajočemu se tumorskemu mikrookolju. Naša prizadevanja so usmerjena k določanju njihovega »prstnega« odtisa, da bi jih v tkivih
lažje zaznali. Ker se prognoza slabša z
rastjo števila teh celic, so ti biomarkerji
dobri pokazatelji, ali bolezen napreduje
in zahteva agresivnejše zdravljenje. Biomarkerji glioblastomskih matičnih celic
so uporabni tudi kot tarče za nova zdravila, ki naj bi uničila predvsem te celice.
A
Slika prikazuje slučajnostni nastanek rakave celice (levo), kjer se prva mutirana celica razrašča klonalno, nastajajo torej celice z enakimi lastnostmi (rdeče kroglice), z nadaljnjimi mutacijami pa nastajajo tumorske celice z različnimi lastnostmi (barvne kroglice). Desno: Med rastjo se te prerazporedijo v različne predele tumorja, ugodne za rast posameznih vrst tumorskih celic. V predelih z nizko
koncentracijo kisika (hipoksičnih nišah) nastajajo tumorske matične celice (bele kroglice), ki pridobijo značilne lastnosti matičnih celic (asimetrična delitev). Te lahko nastanejo zelo zgodaj, lahko pa
so celo začetne celice (če gre za mutirane matične celice – progenitorje). Tumorske matične celice
so odgovorne za nadaljnjo rast in razrast tumorja.
Izziv znanosti je odkriti skrivnost
nastanka tumorskih matičnih celic in
tako najti ahilovo peto tumorja. Nova
dognanja na področju matičnih celic torej obetajo velike možnosti zdravljenja,
ki pa se žal pomikajo za nekaj let, če ne
kar celo desetletje v prihodnost.
GEA | 27 GEA 2_prelom_FEBRUAR 2011-ZADNJA.indd 27
20.1.2011 18:21:01