Rola nowotworowych komórek macierzystych w patogenezie i terapii chorób nowotworowych.pdf

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 indywidu-

alnie, lecz do tego potrzebna jest kompleksowa wiedza na temat genezy i progresji no-

wotworów. 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 nowo-

tworowych biorących pod uwagę złożoność całej kancerogenezy oraz zróżnicowanie

stopnia wrażliwości komórek nowotworowych na różne metody terapii. W czasie roz-

woju choroby nowotworowej prawdopodobnie dochodzi do współwystępowania jedno-

cześnie 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 wła-

ściwości tych komórek pozwoliła zrozumieć, dlaczego stosowane metody leczenia za-

wodziły w tak wielu przypadkach, nie niszczyły one bowiem tej populacji komórek. Od-

krycie CSCs pozwoliło skoncentrować się na poszukiwaniach nowych metod leczenia

skierowanych na pokonanie niewrażliwości CSCs na stosowane dotąd czynniki terapeu-

tyczne.

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: mszarynska@gumed.edu.pl

Forum Medycyny Rodzinnej 2011, tom 5, nr 1, 47–56

słowa kluczowe: nowotworowe komórki macierzyste, terapia

ISSN 1897–3590

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 re-

sistance of tumor cells to various therapies. It was established that CSCs have featu-

res 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 can-

cerogenesis, 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 main-

ly on partially-differentiated, matured or proliferating cancer cells, but not on CSCs,

which are in fact responsible for cancer genesis, progression and metastases. There-

fore, recent target of cancer research is directed to the development of new therapeu-

tics 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

CO TO SĄ KOMÓRKI MACIERZYSTE?

Aby komórkę można było nazwać komórką

macierzystą, powinna ona po pierwsze, być

zdolna do samoodnawiania i po drugie, mieć

potencjał różnicowania w przynajmniej je-

den rodzaj spośród około 200 typów wyspe-

cjalizowanych komórek ciała [1]. Na podsta-

wie potencjału różnicowania można wyróż-

nić kilka typów komórek macierzystych.

W wyniku pierwszych podziałów zygoty po-

wstają blastomery, które są komórkami to-

tipotencjalnymi . Również zapłodniona ko-

mórka jajowa, zygota, jest totipotencjalną

komórką macierzystą. Komórki o takim

potencjale mogą dać początek wszystkim

wyspecjalizowanym komórkom całego orga-

nizmu oraz błonom płodowym i łożysku —

wszystkim typom komórek niezbędnym

w czasie prawidłowej embriogenezy. Na-

stępne podziały wczesnej blastuli sprawiają,

że jej komórki tracą totipotencjalność, co

sprawia, że w dalszych etapach ontogenezy

w organizmie występują komórki macierzy-

ste o znacznie mniejszym potencjale różni-

cowania. Komórki pluripotencjalne mogą

się różnicować do wielu, ale nie do wszyst-

kich rodzajów typów komórek ciała powsta-

jących ze wszystkich trzech listków zarodko-

wych (ektodermy, endodermy, mezodermy).

Taki potencjał pluripotencjalności przypisu-

je się komórkom macierzystym embrional-

nym (komórkom węzła zarodkowego). Mul-

tipotencjalność jest cechą komórek macie-

rzystych zasiedlających większość tkanek

i narządów organizmu. Komórki multipo-

tencjalne mają zdolność do różnicowania się

w linie komórek specyficznych dla danej ni-

szy, czyli środowiska tkankowego lub narzą-

dowego. Na przykład, krwiotwórcze komór-

ki macierzyste mogą dać początek wszystkim

www.fmr.viamedica.pl

Magdalena Szaryńska, Zbigniew Kmieć

Nowotworowe komórki macierzyste

komórkom hematopoezy, zaś nerwowe ko-

mórki macierzyste mogą się różnicować

w neurony, astrocyty oraz oligodendrocyty.

Najmniejszy potencjał posiadają komórki

unipotencjalne , które mają zdolność różni-

cowania się w tylko jedną linię, na przykład

spermatogonia [1, 2].

Sądzi się, że komórki macierzyste wystę-

pują w większości tkanek ciała dorosłego

człowieka, jako tak zwane tkankowe (soma-

tyczne) komórki macierzyste . W większości

tkanek tworzą one bardzo małą populację,

najczęściej stanowiąc tylko 1–2% wszystkich

komórek, lecz ich obecność wydaje się nie-

zbędna w czasie całego życia pozapłodowe-

go. Komórki macierzyste osób dorosłych

( adult stem cells ), poprzez asymetryczne po-

działy tworzą odpowiednią liczbę komórek

zróżnicowanych, które uzupełniają pulę ko-

mórek wyspecjalizowanych. Druga z komó-

rek potomnych, powstających wskutek po-

działu asymetrycznego, pozostaje niezróżni-

cowaną komórką macierzystą o identycz-

nych właściwościach jak ta, z której powsta-

ła. Asymetryczny podział komórek macie-

rzystych służy więc zarówno do odnowienia

ich puli, jak i do zapoczątkowania drogi róż-

nicowania do określonego typu komórek.

W warunkach prawidłowych komórki ma-

cierzyste dzielą się rzadko. W szpiku kost-

nym zaledwie 10% komórek macierzystych

jednocześnie znajduje się w fazach S/G2/M

(fazie replikacji, przedpodziałowej lub mito-

zy), co świadczy o tym, że mimo nieograni-

czonej aktywności proliferacyjnej, komórki

macierzyste stosunkowo rzadko ulegają po-

działom. Niewielka aktywność proliferacyj-

na pełni funkcję mechanizmu chroniącego

komórki przed wyczerpaniem się ich puli

i przed mutacjami, jakie często pojawiają się

w czasie replikacji [2].

komórek nowotworowych. W późniejszych

badaniach wykazano związek indukcji po-

wstawania nowotworów z obecnością nie-

zróżnicowanych komórek. Dla wielu typów

nowotworów wykazano, że rozwijają się one

z komórek o cechach przypominających ko-

mórki macierzyste pluripotencjalne, o właści-

wościach podobnych do cech embrionalnych

komórek macierzystych [3–5]. W literaturze

komórki te nazywa się nowotworowymi ko-

mórkami macierzystymi , a w terminologii

angielskojęzycznej cancer stem cells (CSCs)

lub tumor initiating cells (TICs) [6–8] .

Pojawienie się pierwszej komórki nowo-

tworowej tłumaczy teoria somatycznych

mutacji ( the somatic mutation theory ), która

mówi, że w ciągu swojego życia komórka

akumuluje mutacje i staje się komórką no-

wotworową, gdy osiągnie zdolność do nie-

kontrolowanych podziałów. Pewna pula

mutacji (a nie tylko jedna mutacja) powodu-

je pojawienie się w komórkach zmian feno-

typowych i funkcjonalnych, które są odpo-

wiedzialne za indukcję pluripotencjalnego

potencjału typowego dla komórek macie-

rzystych [9].

Wymienia się obecnie trzy teorie opisu-

jące przebieg procesu kancerogenezy, z któ-

rych pierwsza — teoria stochastyczna — ma

już raczej tylko charakter historyczny. Mówi

ona, że wszystkie komórki nowotworowe są

takie same (homogenność), mają identycz-

ny potencjał rozwojowy i wszystkie są zdol-

ne do indukowania progresji choroby

(ryc. 1). W wielu doświadczeniach przepro-

wadzonych in vitro oraz in vivo zaobserwo-

wano jednak, że komórki nowotworowe

charakteryzuje duża heterogenność pod

względem morfologii, fenotypu, zdolności

proliferacyjnych, potencjału różnicowania

oraz odporności na zastosowaną terapię [7].

Na podstawie tych danych zaproponowano

inne teorie tłumaczące rozwój chorób nowo-

tworowych i towarzyszących im zjawisk, któ-

re jednocześnie uwzględniają występowanie

CSCs. Pierwsza z koncepcji mówi o hierar-

Dla wielu typów

nowotworów wykazano,

że rozwijają się one

z komórek o cechach

przypominających

komórki macierzyste

pluripotencjalne

CO TO SĄ NOWOTWOROWE

KOMÓRKI MACIERZYSTE?

Już w 1858 roku Rudolf Virchow zapropono-

wał teorię o embrionalnym pochodzeniu

Forum Medycyny Rodzinnej 2011, tom 5, nr 1, 47–56

WYBRANE

PROBLEMY

KLINICZNE

Komórka, która przejdzie transformację nowotworową

Komórka nowotworowa w modelu 1.

CSCs w modelu 2.

CSCs pierwszorzędowa w modelu 3.

CSCs drugorzędowa w modelu 3.

CSCs przerzutująca w modelu 3.

Model

stochastyczny

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-

kreśla rolę klonalnej ekspansji CSCs o naj-

korzystniejszych cechach dla wzrostu i roz-

woju nowotworu (ryc. 1) [4].

Według teorii hierarchicznej tylko nie-

liczna populacja komórek nowotworowych

posiada potencjał formowania guza i tylko

te komórki odpowiadają za rozwój i progre-

sję nowotworu, za tworzenie fenokopii guza

zarówno po przerzutowaniu, jak i w czasie

ksenotransplantacji ludzkich komórek no-

wotworowych do zwierząt laboratoryjnych.

Nowotworowe komórki macierzyste potra-

fią tworzyć wszystkie rodzaje zróżnicowa-

nych komórek, jakie można znaleźć w da-

nym typie nowotworu. Istnieje hierarchia

zróżnicowania tych komórek, podobna do

tej, jaką obserwuje się w przypadku rozwo-

ju komórek macierzystych w ich fizjologicz-

nych niszach: komórki macierzyste — pro-

genitorowe — dojrzałe. Ponieważ same

CSCs bardzo rzadko ulegają podziałom, co

prawdopodobnie sprzyja ochronie DNA

przed nowymi mutacjami, za niezwykłą zdol-

ność nowotworu do tworzenia dużej liczby

komórek potomnych odpowiadają komórki

aktywnie proliferujące [7].

Inna koncepcja zakłada, że dany nowo-

twór rozwija się dzięki klonalnej ekspansji

jednej z komórek, która nabyła najkorzyst-

niejsze zmiany onkogenne i która poprzez

aktywną proliferację zdominowała inne typy

CSCs w danej niszy (pierwszorzędowa/pier-

wotna CSC — primary CSC), a jej klonalne

potomstwo zdominowało wszystkie komór-

ki nowotworowe. Ten stan trwa do czasu, gdy

jedna z potomnych komórek nabędzie jakąś

nową mutację, która da jej przewagę nad

innymi komórkami i wówczas ona, poprzez

klonalną ekspansję, przerośnie nowotwór

(drugorzędowa/wtórna CSC — secondary

CSC). W wyniku którejś kolejnej takiej

zmiany, CSCs mogą się stać zdolne do

opuszczenia swojej dotychczasowej niszy

i tworzenia przerzutów (przerzutująca CSC

— metastatic CSC). Teoretycznie, w każdej

odrębnej niszy, takie klonalne ekspansje

mogą zachodzić niezależnie od siebie [10].

Dowodem na to mogą być zmiany fenotypu

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-

rzutów zmieniły swój fenotyp z CD133 high

na CD133 low [6]. Takim czynnikiem selekcyj-

nym może być również zjawisko oporności

na stosowaną radio- czy chemioterapię. Prze-

żywają tylko te komórki, które zaadaptowały

się do nowych warunków otoczenia poprzez

wykształcenie mechanizmów ochronnych.

Należy zaznaczyć, że prawdopodobnie

w czasie rozwoju choroby nowotworowej

mamy do czynienia ze współistnieniem zja-

wisk opisywanych przez obie teorie. W wy-

niku klonalnej ekspansji dochodzi do selek-

cji CSCs, które następnie są źródłem całej

hierarchii heterogennych komórek nowo-

tworowych [10].

czalnych zademonstrowano, że jeżeli soma-

tyczne komórki macierzyste wyizoluje się, to

poza swoją fizjologiczną niszą tracą one swoje

normalne funkcje i nabywają właściwości

kancerogennych. Wykazano, że w wyniku ist-

nienia przewlekłego stanu zapalnego zmianie

może ulec mikrośrodowisko, co w konse-

kwencji może prowadzić do rozwoju nowo-

tworu [9], jak to ma miejsce na przykład

w przypadku raka jelita grubego w przebiegu

nieswoistych zapaleń jelita grubego [11].

Ogromne znaczenia dla funkcjonowania

CSCs w danej niszy ma stan hipoksji (niedo-

tlenienia), jaki tam panuje i jaki jest aktyw-

nie wywoływany i utrzymywany przez ko-

mórki nowotworowe [3]. W warunkach fizjo-

logicznych jedynie komórki macierzyste,

spośród wszystkich prawidłowych komórek

ciała, potrzebują do swojego prawidłowego

funkcjonowania warunków niedotlenie-

nia [12, 13], co stanowi kolejne podobień-

stwo CSCs do tkankowych komórek macie-

rzystych. Hipoksja wywołuje wiele proce-

sów, które są indukowane dzięki aktywacji

czynnika transkrypcyjnego HIF ( hypoxia in-

ducible factor ). W badaniach doświadczal-

nych wykazano, że CSCs dzięki czynnikowi

HIF zwiększają progresję choroby. Czynnik

ten reguluje ekspresję genów wielu białek

kluczowych dla funkcjonowania komórek,

dzięki którym sprawnie one reagują i odpo-

wiadają na zmiany stężenia parcjalnego tle-

nu w otoczeniu [14]. Między innymi HIF od-

powiada za aktywację genów związanych

z przełączeniem metabolizmu na beztlenowy,

bardziej wydajny transport glukozy do wnę-

trza komórek oraz indukcję angiogenezy.

Większość komórek może w stanie pra-

widłowym funkcjonować tylko w obrębie

swojej niszy, podczas gdy CSCs i ich komór-

ki potomne są w stanie kreować dogodne dla

swojego rozwoju warunki mikrośrodowiska

i potrafią przetrwać w innych, nietypowych

dla siebie miejscach organizmu, w tak zwa-

nych niszach przedprzerzutowych ( premeta-

static niche ). Tam adaptują się do istnieją-

ZNACZENIE NISZY DLA ROZWOJU CSCs

Nisza jest to specyficzne mikrośrodowisko,

w którym są zlokalizowane komórki danego

typu. W jej skład wchodzą komórki, składni-

ki macierzy pozakomórkowej oraz czynniki

rozpuszczalne, takie jak cytokiny lub czynni-

ki wzrostu, które mogą być również wydzie-

lane na drodze auto- czy parakrynnej przez

komórki danej niszy. Warunki, jakie panują

w obrębie niszy, regulują podziały, różnico-

wanie, angiogenezę oraz tworzenie przerzu-

tów przez CSCs. Komórki te odpowiadają na

sygnały generowane przez wszystkie elemen-

ty danego mikrośrodowiska i dodatkowo są

w stanie je modyfikować, tworząc środowisko

optymalne dla swego rozwoju. Warunki mi-

krośrodowiska mają ogromne znaczenie dla

utrzymania odpowiedniej puli CSCs w stanie

niezróżnicowanym, podobnie jak to jest

w przypadku somatycznych komórek macie-

rzystych w niszach tkankowych. Oprócz tego,

jak pokazały wyniki badań, zmiany w obrębie

niszy mogą indukować proces nowotworze-

nia lub wręcz przeciwnie — hamować go,

nawet w przypadku nagromadzenia się zmian

proonkogennych [8]. Nisza może kontrolo-

wać procesy nowotworzenia między innymi

poprzez kontrolę ekspresji genów (mechani-

zmy epigenetyczne). W warunkach doświad-

Forum Medycyny Rodzinnej 2011, tom 5, nr 1, 47–56

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: