Nádorové mikroprostředí ovlivňuje biologické vlastnosti nádorové buňky – nádor jako embryologický problém?

Overview

Vzájemná epitelo-mezenchymová interakce je základním řídícím principem při vývoji orgánů a tkání. Tento článek ukazuje na význam této interakce při vzniku a šíření nádorů, kdy tato interakce ovlivňuje biologické vlastnosti nádorové kmenové buňky, a tím i nádoru jako takového. Na příkladu teratomu a melanomu je demonstrován vliv embryonálního mikroprostředí na biologickou povahu nádoru, zejména na jeho potenciál metastazovat. Možnost cíleného ovlivnění nádorového mikroprostředí by mohlo být v budoucnu využito jako doplňková terapeutická metoda.

Klíčová slova:
nádorové mikroprostředí, nádorově asociovaný fibroblast, dlaždicový karcinom, neurální lišta, melanom.

Nádorová kmenová buňka

Existence nádorové kmenové buňky a její biologický a terapeutický význam

Dnes je všeobecně známo, že nádorová transformace je vyvolána sérií změn genomu buňky. Tyto změny mohou být vrozené, či získané nejrůznějším způsobem od ionizujícího záření po virovou infekci. Důležité je, že tyto změny musejí zahrnovat několik regulačních kaskád. V této souvislosti jsou většinou zmiňovány regulace buněčného cyklu, programované buněčné smrti a schopnosti vyvázat se z mezibuněčných kontaktů a zvýšit migrační potenciál. Není však jasné, zda tyto zněny zasáhnou jednu buňku (monoklonální původ nádoru) či současně více buněk (původ polyklonální) (1).

Pokusy s přenosem nádorů mezi zvířecím dárcem a příjemcem ukázaly, že pouze velmi omezený počet nádorových buněk je schopen zajistit úspěšný růst nádoru v příjemci. Tyto výsledky spolu s ohromným pokrokem při studiu normálních dospělých tkáňových kmenových buněk naznačily existenci nádorových kmenových buněk (2). Je zarážející, že nádorové kmenové (transplantabilní) buňky se zdravým kmenovým buňkám hodně podobají. Podobně jako ony jsou de facto nesmrtelné ve svém mikroprostředí po dobu života jedince. Normální kmenové buňky se dělí asymetrickou mitózou, kdy jedna dceřiná buňka vstupuje do diferenciační kaskády (tzv. transient amplifying cell) a druhá je opět buňkou kmenovou. Toto dělení je velmi pomalé, což je v případě normální kmenové buňky výhodou. Zmenšuje se tak riziko poškození DNA v období silně zranitelné S-fáze buněčného cyklu. „Transient amplifying“ buňka, která má vlastnosti progenitoru, se naopak dělí velmi rychle, což poskytne dostatek buněčného materiálu například při regeneraci poškozené tkáně. Toto dělení je však časově omezené (do 10 cyklů), čímž je redukováno riziko přenosu mutace na další dělící se buňky. V případě nádorové kmenové buňky jsou výše popsané mechanismy terapeutickým problémem, protože pomalé dělení nádorové kmenové buňky snižuje efektivitu zásahu chemoterapeutikem, které je většinou účinné právě v období S-fáze buněčného cyklu. Po léčbě tak sice dojde k významné redukci objemu nádoru, avšak s rizikem perzistence spících nádorových kmenových buněk (minimální residuální choroba), které mohou být v budoucnu reaktivovány, a být tak příčinou nádorového relapsu. Navíc jsou kmenové buňky vybaveny membránovými proteiny, které jsou schopny odstraňovat xenobiotika z jejich cytoplazmy (tzv. „side population“). Za fyziologických podmínek je tento systém vysoce účinný a snižuje riziko poškození dlouhověkých tkáňových kmenových buněk toxickou látkou. V případě nádoru se však intenzivně podílí na vylučování chemoterapeutika z nádorové buňky a může být příčinou selhání léčby pro mnohotnou lékovou rezistenci. Terapeutickou strategií by tedy mělo být útočit na kmenové buňky nádoru, což však stále není bohužel možné (3) (obr. 1).

Nádorová kmenová buňka potřebuje specifické mikroprostředí

Normální kmenové buňky potřebují velmi specifické mikroprostředí – niche, které je schopno udržet jejich kmenový charakter. Niche je dosud velmi vágně definováno. Jsou-li z něj kmenové buňky vytrženy, ztrácejí kmenový charakter, tj. přestávají se asymetricky dělit a vstupují do diferenciace (4). Tato skutečnost představuje hlavní překážku dlouhodobé expanze tkáňových kmenových buněk in vitro. Zdá se, že podobné mikroprostředí potřebují i nádorové kmenové buňky. Kromě vlastních nádorových buněk je nádor tvořen také stromatem. Jedná se o heterogenní populaci buněk tvořenou především fibroblasty produkujícími extracelulární matrix, infiltrujícími leukocyty a kapilárami (5). Srovnáme-li vzhled stromatu s okolní pojivovou tkání mimo oblast nádoru, vidíme již v jednoduchém histologickém obarvení zřetelný rozdíl. Je pravděpodobné, že niche nádorové kmenové buňky je právě nádorové stroma, zejména stromální fibroblasty (5). Tyto fibroblasty (někdy též zvané nádorově asociované) se od normálních fibroblastů významně liší. Velmi často jde spíše o myofibroblasty, které se kromě nádorů vyskytují i u fibróz a ve spodině hojící se rány, kde jsou odpovědné za její kontrakci (6). Tyto fibroblasty produkují kromě mezibuněčné hmoty množství specifických růstových faktorů a chemokinů, kterými mohou ovlivnit biologické vlastnosti nádorové buňky a stimulovat její progresivní a promigrační fenotyp (7, 8). Tyto nádorově-asociované fibroblasty mohou ovlivnit i fenotyp zdravých epitelových buněk do podoby buněk nádorových včetně epitelo-mezenchymového přechodu (někdy je též používán termín transformace), který je tak typický pro šíření nádoru a vytváření metastáz (9–11). Není bez zajímavosti, že vzájemná epitelo-mezenchymová interakce se v případu nádorů vycházejících z dlaždicového epitelu podobá epitelo-mezenchymové interakci u vyvíjejícího se základu vlasového folikulu, zubu či mléčné žlázy (12, 13) (obr. 2). Původ nádorově-asociovaných fibroblastů není zcela jasný, zdá se však, že mohou pocházet z více zdrojů, jako jsou lokální fibroblasty, makrofágy, endotelové buňky, pericyty a mezenchymové kmenové buňky (6, 14). Není však vyloučeno, že pocházejí i přímo z nádorové buňky, která prošla epitelo-mezenchymovým přechodem a nemigrovala dále, aby vytvořila metastázu (15, 16).

Kromě nádorově-asociovaných fibroblastů se na tvorbě mikroprostředí podílejí zcela jistě leukocyty, kde je známo, že makrofágy mohou významně stimulovat agresivitu nádoru (17). Funkce stromálních krevních kapilár, které nádor vyživují, je dostatečně známá.

Nádor a embryo

Již patologové v 19. století (von Virchow) si všimli určité podoby mezi anaplastickým nádorem a buněčnými blastémy ve vyvíjejícím se zárodku (18). Tato pozorování byla postupně zpochybňována, i když řada výsledků naznačuje, že embryologický pohled by mohl pomoci pochopit některé zdánlivě paradoxní vlastnosti nádoru.

Teratomy a teratokarcinomy

Teratomy jsou nádory skládající se většinou z buněk všech tří zárodečných listů a jsou tvořeny různě pozměněnými tkáněmi plodu na nejrůznějším vývojovém stupni. Pokud je embryonální kmenová buňka transplantována dospělému jedinci, velmi často vyvolá nádor teratom či teratokarcinom. Opakovaně bylo ukázáno, že teratomové buňky transplantované do raného zárodku se mohou zapojit do vývoje embrya. Narozený jedinec může být nádoru prost a je fertilní (19–21). Tento výsledek naznačil, že embryo může ovlivnit nádorovou buňku a vyladit její regulaci směrem k normálu.

Infekce virem Rousova sarkomu

Pokusy Miny Bissell s virem Rousova sarkomu ukázaly, že zatímco injekce viru do křídla čerstvě vylíhlého kuřete vyvolala růst nádoru, byla kuřecí embrya k tvorbě nádoru rezistentní. Kuřecí embryonální fibroblasty infikované in vitro však byly transformovány podle očekávání (22).

Experimenty s teratomy a virem indukovaným sarkomem naznačily vliv podílu regulačních drah vyvíjející se tkáně na normálním vývoji buňky s prokazatelně maligní genetickou informací.

Melanom a neurální lišta

Asi nejlepším modelem pro studium vlivu embryonálního prostředí na nádorovou buňku je maligní melanom. Podle klasické představy vzniká tento vysoce maligní nádor z maligně transformovaných melanocytů. Tyto buňky pocházejí z neurální lišty, struktury s velmi složitým mechanismem vzniku spojeným s vývojem centrálního nervového systému.

Centrální nervový systém vzniká z neurální trubice. Ta se vytváří invaginací povrchového ektodermu do neurální brázdy. Dorzální konce neurální brázdy se oddělí od povrchového ektodermu a spojí do trubice. Z ektodermu, který spojoval neurální brázdu s povrchovým ektodermem, se vytvoří neurální lišta, která bude umístěna mezi neurální trubicí a povrchovým ektodermem. Neurální lišta představuje materiál, z něhož později vzniká řada buněčných populací včetně melanocytů (23). Buňky neurální lišty také osidlují zevní pochvu vlasového folikulu. Tyto buňky terminálně nediferencují a mají vlastnosti multipotentních kmenových buněk (24, 25). Mohou dát vznik široké škále buněčných typů včetně neuronů. Důležité je, že buňky, které migrují z neurální lišty, procházejí epitelově-mezenchymovým přechodem (podobně jako metastazující buňky) (26). Jsou-li buňky agresivního metastazujícího melanomu transplantovány do raného embrya (ryba, pták), ztrácejí svůj maligní potenciál, a buď ovlivní morfogenezi zárodku, nebo migrují embryem a usidlují se v místech, do nichž za normálních podmínek putují buňky neurální lišty. Nacházíme je potom v sympatických či spinálních gangliích nebo jako normální melanocyty (18, 27). Pokud je studován transkriptom silně agresivní metastazující buňky melanomu a buňky málo agresivní, byly mezi oběma nalezeny významné rozdíly (28). Ty ukázaly, že buňky agresivních nádorů jsou spíše podobné buňkám multipotentním a buňky nádorů méně agresivních normálním melanocytům. Tato plasticita buněk metastazujícího melanomu tak podobná buňkám kmenovým byla zdůrazněna pozorováním vytváření cévám podobných tubulárních kanálů se stěnou tvořenou nádorovými melanoblasty podílejícími se na perfuzi nádoru a dokonce schopnými podílet se na cévním zásobení ischemického svalu (29).

Výše uvedená pozorování ukazují, že nádorové mikroprostředí významně ovlivňuje biologické chování nádoru. Z tohoto hlediska má unikátní vlastnosti mikroprostředí embrya, které je schopno řídit normálním směrem silně maligní geneticky alterované buňky.

Perspektiva

Z uvedeného přehledu vyplývá, že znalost vzájemných buněčných interakcí v normální, vyvíjející se a nádorové tkáni na molekulární úrovni představuje základní podmínku pro pochopení biologických vlastností nádoru a jejich klinické manifestace. Je pravděpodobné, že genetické poškození buňky u zhoubných nádorů vede k aktivaci pevně fylogeneticky a ontogeneticky zafixovaných embryonálních regulačních drah, které umožní patologickému klonu přežít, zdánlivě bez zapojení do regulací makroorganismu. Dokonalá znalost těchto dějů by mohla vést k jejich ovlivněnění buď na úrovni producentů signálních molekul, či na úrovni receptorů permisivních nádorových buněk (5, 30) (viz obr. 2). Tento zásah by následně mohl vést k diferenciaci nádorové kmenové buňky a eliminaci celého nádorového klonu.

Část výsledků shrnutých v tomto přehledném článku byla získána s podporou Ministerstva školství mládeže a tělovýchovy ČR, projekty č. MSM0021620806, NPVII 2B06106 a 1M0538 a s podporou Karlovy univerzity v Praze, projekt č. 260 510.