Onkobioloogia

Vähkkasvajate molekulaarsed mehhanismid

Taavi Päll
lektor, Tallinna Tehnikaülikool

Sissejuhatus

Vähk

  • Mõiste vähk (tuumor, pahaloomuline kasvaja, neoplasm) tähistab suurt hulka erinevaid haiguseid (NCI ~160 olulisemat) mis võivad tekkida kõigis keha kudedes.
  • Vähi tunnuseks on ebanormaalsete rakkude kasv koes väljapoole nende normaalseid piire. Kõrvalolevate kudede invasioon ja levik teistesse organitesse ehk metastaseerumine.

Metastaasid on enamuse kasvajatest tingitud surmade põhjustajaks

Vähk võib lõppeda surmaga

  • Vähkkasvajad on maailmas üks juhtivatest surma põhjustatavatest haigustest, nõudes 8.2 miljonit elu 2012. a (EU-27 osakaal 2012: 1.27 miljonit (15%))
  • Kopsu-, maksa-, mao-, kolorektaal- ja rinnakasvajad põhjustavad enim vähisurmasid
  • sagedasemad vähitüübid on naistel ja meestel erinevad
  • ennustatakse, et haigestumus suureneb maailmas 14 miljonilt 2012.a 22 miljonini 2030-ndatel

Allikas: WHO

Kursuse eesmärk

  • Selgitada vähkkasvajate tekke molekulaarseid ja rakulisi mehhanisme

Raamat

  • Robert A. Weinberg
    The Biology of Cancer
    New York, Garland Science, 2007
    Kohaviit: 616/W-46

book

Ajaloost

Egiptus, 16-17. dünastia

  • Vanim teadaolev kirjeldus vähist pärineb 1500 BC Egiptusest.
  • Papüürus kirjeldab muuseas ka 8 rinnavähi juhtu mida raviti põletusega.
  • Kirjutises konstanteeritakse et see haigus on ravimatu.

Allikas: Wikipedia. Pilt: "Edwin Smith Papyrus v2" by Jeff Dahl

Kasvajad kui tulnukad

  • Hippokrates: vähi "kehavedelike tasakaalu häire teooria" (must-, kollane sapp, veri ja flegma)
  • vähke ajalooliselt käsitletud ka kui võõrkeha, mis on ennast haige kehas sisse seadnud.

Pilt: Vähi kirurgiline eemaldamine, 1689. Wikimedia.

Kasvajad on koelise struktuuriga

  • 1655. avastas Robert Hooke mikroskoopi kasutades, et taimekude koosneb rakkudest.
  • Seoses mikroskoopia arenguga 19. saj. saadi aru,
    • kasvajad koosnevad rakkudest
    • pärinevad normaalsetest kudedest

Pilt: internet.

Tänapäev: vähiriski mõjutab elustiil

Vähiriski mõjutab elustiil

~30% vähisurmadest on tingitud viiest käitumis ja dieediriskist:

  • kõrge kehamassiindeks,
  • vähe puu- ja aedvilju menüüs,
  • vähene füüsiline aktiivsus,
  • tubakas/suitsetamine,
  • alkohol

  • arengumaades põhjustavad 20% vähkidest hepatiidi viirused B ja C ning papilloomiviirused

Ülekaalulisus ja vähk

  • Ülekaalulisus ja rasvumine on maailmas kasvav probleem.
  • Ülekaalulisus ja rasvumine suurendab vähiriski mitmete vähitüüpide puhul: rinna-, soole-, neeru-, endomeetriumi-, söögitoru- ja pankrease vähk.
  • Vähiteraapias on ülekaalulisus ja rasvumine seotud suurenenud vähi tagasituleku ja surma riskiga.
  • Füüsiline aktiivsus ja tervislik toit vähendavad riski oluliselt.

Kuidas siis ülekaalulisus on vähiga seotud?

  • Immuunsüsteemi tervis/funktsioneerimine, põletik.
  • Teatud hormoonide tase organismis, nagu insulin ja östrogeen.
  • Rakkude jagunemist reguleerivad kasvufaktorid -- insulin-like growth factor-1 (IGF-1).
  • Valgud mis mõjutavad hormoonide toimet organismile, nagu sex hormone-binding globulin.

Kasvajarisk on seotud elustiiliga

Suitsetamine: 96% kopsuvähkidest tekib suitsetajatel

Sigarette päevas enne haigestumist Suheline risk
mittesuitsetaja 1
1 kuni 5 8
5 kuni 15 12
15 kuni 25 14
25+ 27

Suitsetamise tõus arengumaades

  • Üle 1.3 miljardi inimese suitsetab maailmas tubakat. Suitsetamine põhjustab erinevaid kasvajaid ja vastutab 1/5 vähisurmade eest maailmas.
  • Lähis-Idas ja Aafrikas on ajavahemikus 1990-2009 sigarettide tarbimine suurenenud 57%.
  • Kuigi keskeas suitsetamise maha jätmine vähendab üle 60% kopsuvähi riski, teevad arengumaades seda vähesed.
  • Sigarettide maksustamises nähakse vastumeedet, kuid sissetulekud tõusevad kiiremini kui maksud.

Keskkonna ja elustiilifaktorid

Type % of total cases
Cancers due to occupational exposures 1–2
Lifestyle cancers
Tobacco-related (sites: e.g., lung, bladder, kidney) 34
Diet (low in vegetables, high in nitrates, salt) (sites: e.g., stomach, esophagus) 5
Diet (high fat, lower fiber, broiled/fried foods) (sites: e.g., bowel, pancreas, prostate, breast) 37
Tobacco and alcohol (sites: mouth, throat) 2

Kartsinogeenina toimivad nii füüsilised kui keemised mutageenid

Teada-tuntud kartsinogeenid

  • röntgenkiired
  • benseen (ägedad leukeemiad)
  • vinüülkloriid (maksa angiosarkoom)
  • raadium(osteosarkoom)
  • asbest (mesotelioom)
  • põsetubakas (suuõõne kartsinoom)
  • etc. etc

Mutageesuse test: Amesi test

Mutageensus korreleerub kantserogeensusega! Kuid kõik kantserogeenid ei ole mutageenid, selliseid nimetatake kasvaja promootoriteks

  • Uuritav aine aktiveeritakse metabooselt kasutades roti maksa ekstrakti
  • aktiveeritud aine lisatakse his-mutantsetele Salmonella tassidele
  • algne Salmonella mutant ei suuda kasvada söömel milles puudub histidiin
  • katse lõpus loetakse kolooniad üle
  • mida rohkem kolooniad seda tugevam mutageen

Bruce Ames's carcinogens identified in the normal diet

Foodstuff Compound Concentration in foodstuff
Black pepper piperine 100 mg/g
Common mushroom agaritine 3 mg/g
Celery furocoumarins, psoralens 1 mg/g, 0.8 mg/g
Rhubarb anthraquinones varies
Cocoa powder theobromine 20 mg/g
Mustard, horseradish allyl isothiocyanate varies
Alfalfa sprouts canavaninec 15 mg/g
Burnt materialsd large number varies
Coffee caffeic acid 11.6 mg/g

Kasvajatesse haigestumus Eestis

Kasvajad Eestis paikmete kaupa

Sagedasemad paikmed

Esmased vähid ja 5 aasta suremus

Sõltuvalt vähitüübist võib elulemus varieeruda 10% kuni 90%

Pilt: E. Marshall. “Cancer Research and the $90 Billion Metaphor”. In: Science 331.6024 (2011), pp. 1540 - 1541. DOI: 10.1126/science.331.6024.1540-a

Countries showing highest and lowest incidence of specific types of cancer

Cancer site Country of highest risk Country of lowest risk Relative risk H/L
Melanoma Australia (Queensland) Japan 155
Lip Canada (Newfoundland) Japan 151
Nasopharynx Hong Kong United Kingdom 100
Prostate U.S. (African American) China 70
Liver China (Shanghai) Canada (Nova Scotia) 49
Penis Brazil Israel (Ashkenazic) 42
Cervix (uterus) Brazil Israel (non-Jews) 28
Stomach Japan Kuwait 22
Lung U.S. (Louisiana, African American) India (Madras) 19
Pancreas U.S. (Los Angeles, Korean American) India 11
Ovary New Zealand (Polynesian) Kuwait 8

Vähitüübid

Kliiniline klassifikatsioon

Kliiniliselt võib kasvajad jaotada kaheks

  • healoomulised (lokaliseerunud, mitteinvasiivsed)
  • pahaloomulised (invasiivsed, metastaatilised)

Metastaasid ehk vähi siirded vastutavad lõviosa kasvajatest tingitud surmade eest!

Pilt: doctorsgates.blogspot.com

Neli põhilist vähitüüpi

Epiteliaalsed Mitte-epiteliaalsed
kartsinoomid (carcinoma) sarkoomid (sarcoma)
hematopoieetilised
neuroektodermaaltuumorid

Epiteel

Kehaosi väljast ja õõsi seest kattev rakukiht (katteepiteel) või näärmeid moodustav rakukogum (näärmeepiteel).

SkinTumors-P5300131

Colonic carcinoid (1) Endoscopic resection

Pildid: Left, by LWozniak&KWZielinski (Own work) CC BY-SA 3.0 or GFDL], via Wikimedia Commons

Basaalmembraan

BM (basement membrane) on epiteeli all asuv rakuvälise maatriksi kiht

  • peamiseks funktsiooniks on epiteeli ankurdamine all olevale sidekoele (strooma)
  • mehhaaniline barjäär

Kartsinoomid

Kartsinoomid on kõige sagedasemad epiteliaalset päritolu kasvajad

  • vastutavad 80% vähisurmade eest

Epiteelid pärinevad erinevatest lootelehtedest

  • kops, maks, sapipõis, söögitoru, magu ja soolestik pärineb endodermist
  • nahk ektodermist
  • munasarjad mesodermist

Kartsinoomid jagunevad laias laastus kaheks

  • adenokartsinoomid (adenocarcinoma)
  • lamerakk-kartsinoomid (squamous-cell carcinoma)

Kartsinoomide sagedasemad paikmed

Adeno Lame-rakk Muud tüüpi
kops nahk väikeserakuline kopsuvähk (neuroendokriinsed rakud)
käärsool (colon) ninaõõs suurerakuline kopsuvähk
rind neel (oropharynx) maksakartsinoom
kõhunääre (pancreas) kõri neerukasvaja
magu kops transitoorse epiteeli kasvaja (kusepõis)
söögitoru söögitoru
eesnääre emakakael
emaka sisemine limaskest (endomeetrium)
munasari

Mitte-epiteliaalsed kasvajad

  • sarkoomid - sidekoekasvajad
  • hematopieetilist päritolu kasvajad (valged verelibled)
    • leukeemiad - nn. verevähk
    • lümfoomid - tahked kasvajad lümfisõlmedes (B- ja T-rakud)
  • neuroektodermaaltuumorid

Sarkoomid

  • sidekoe kasvajad
  • moodustavad ~1% vähkidest
  • mesodermaalset päritolu
Sagedasemad sarkoomid
osteosarkoom
liposarkoom
leiomüosarkoom
rhabdomüosarkoom
fibrosarkoom
sünooviumi sarkoom
angiosarkoom
kondrosarkoom

Hematopoieetilised ja lümfoidsed kasvajad

Tuumorid mis tekivad veres, luuüdis ja lümfisõlmedes

Rakutüübid:

  • Äge ja krooniline müelogeenne leukeemia, müelodüsplastilised sündroomid ja müeloproliferatiivsed haigused: granulotsüüdid, erütrotsüüdid, trombotsüüdid, makrofaagid ja nuumrakud (mast cells)

  • Lümfoomid, lümfotsüütsed leukeemiad ja müeloomid: B-, T-, NK- ja plasma rakud

    • äge lümfotsüütne leukeemia (ALL) tekib 80% juhtudel B-rakkudest ja 20% T-rakkudest

Sagedasemad hematopoieetilised kasvajad

äge lümfotsüütne leukeemia (ALL)
äge müelogeenne leukeemia (AML)
krooniline müelogeenne leukeemia (CML)
krooniline lümfotsüütne leukeemia (CLL)
multimüeloom (MM)
non-Hodgkin's lümfoom (NHL)
Hodgkin's tõbi

Neuroektodermaalsed kasvajad

  • Vähid mis tekivad kesknärvisüsteemis ja perifeerses närvisüsteemis
  • ektodermaalset päritolu
  • glioomid, glioblastoomid, neuroblastoomid, shwannoomid/oligodendroglioomid ja medulloblastoomid
  • moodustavad 1.3% diagnoositud kasvajatest, suremus samas kõrge 2.5% vähisurmadest

CNS/PNS kasvajad

  • glioblastoomid GBM ja astrotsütoomid: astrotsüüdid
    • GBM, agressiivne IV staadiumi astrotsütoom
  • shwannoomid/oligodendroglioomid pärinevad müeliini moodustavatest rakkudest
  • retinoblastoom
  • neuroblastoomid pärinevad PNSi ganglionitest

Vähid mis ei klassifitseeru eelnimetatud gruppidesse

  • melanoom - nahakasvaja, neuroektodermaalset päritolu: naha melanotsüüdid pärinevad neuraalharjast
  • väikeserakulised kopsukasvajad (SCLC) - sarnased neurosekretoorsetele rakkudele

Reeglina säilitavad vähid oma päritolu-koe tunnused

Olulise ühendva bioloogilise printsiibina säilitavad vähirakud alati mõne distinktse diferentseerunud tunnuse mis seob neid oma päritolukoega

kermets

Epiteeli-mesenhümaalne transformatsioon

EMT on raku transdifferentseerumine, kus algne kartsinoomi rakk omandab mesenhümaalse fenotüübi

  • EMT on seotud metastaseerumisega
  • NB! EMT ei ole kartsinoomis histoloogiliselt jälgitav
  • tegemist võib olla transientse seisundiga

Anaplastilised kasvajad

Anaplaasia - kasvaja mis on kaotanud koespetsiifilised tunnused (1-2% juhtudest)

  • histopatoloogliselt pole võimalik identifitseerda päritolu-kude
  • võib tekkida dediferentseerumise teel
  • võib pärineda tüvirakkudest
  • pleomorfism, rakud ja tuumad on ebaühtlase suuruse-kujuga

anaplaasia

Molekulaarne klassifikatsioon

Vähid arenevad progresseeruvalt

Kasvaja kliiniline progressioon

Neoplaasiad - eri tüüpi kasvajalised moodustised

Rohkem-vähem defineeritud "peatused" kasvaja arengus:

Normaalne kude > hüper-/metaplastiline > düsplaasia > lokaalselt invasiivne > metastaasid

Healoomulised kasvajad

Healoomulised (benign) kasvajad võivad olla hüperplastilised või metaplastilised (hyperplastic, metaplastic)

  • hüperplastiline kude näeb välja normaalsena, välja arvatud märgatavalt suurenenud rakkude arv
  • metaplastilises koes on üks normaalne kude asendunud teisega nt. Barreti söögitoru

metaplaasia

Düsplaasia

wart

Düsplaasiad sisaldavad juba rakke mis näevad välja ebanormaalsed.

  • healoomulised kuid pre-maliigne seisund (basaalmembraan on terve!)
  • adenoomid, polüübid, papilloomid, soolatüükad

Pahaloomulised kasvajad

iseloomustab invasiivsus st. vähirakud on tunginud läbi basaalmembraani

  • lokaalselt invasiivne
  • siirded

BM

Metastaasid e. siirded

Kasvajakolooniate teke keha teistesse osadesse/organitesse

  • lisaks invasiivsusele peab vähirakk omandama ka amööbse liikumise võime (motility)
  • ja võime adapteeruda "võõras keskkonnas"

Kasvajad on monoklonaalsed

Teoreetiliselt võivad kasvajat moodustavad vähirakud olla kas monoklonaalset või polüklonaalset päritolu

  • Epigeneetika viitab monoklonaalsele päritolule: X-kromosoomi inaktivatsioon on rakkudes juhuslik, 30% Aafrika päritolu naistel on polümorfsm G6PD geenis (asub X-is), leiomüoomi heterosügootsete patsientidel leiti, et igal leiomüoomil esines ainult ühte geeni versiooni
  • müeloomid, müeloomid pärinevad B-rakkude eellastest, antikehi tootvatest plasmarakkudest, iga antikeha toodab üks kloon, igal patsiendil toodab müeloom vaid ühte antikeha

Lingid teistele loengutele