Komórki macierzyste w etiologii i leczeniu raka
Mei Zhang and Jeffrey M Rosen
Używając poglądów pierwszy raz zastosowanych w ludzkich białaczkach, ostatni postęp sprawił możliwość identyfikacji przypuszczalnych komórek macierzystych raka w kilku różnych rakach (nowotworach złośliwych naskórka) i innych zwartych (stałych) rakach. Dodatkowe badania zasugerowały, że komórki macierzyste raka mogą być uzyskiwane nie tylko z transformacji spoczynku, długoterminowych komórek macierzystych, ale również z krótko żyjących komórek progenitorowych, które wtedy uzyskują umiejętność podlegania procesowi samoodnawiania. Z tego powodu ta zaobserwowana niejednorodność w wielu typach ludzkiego raka może odzwierciedlać jednocześnie aktywację specyficznej onkogenezy i/lub stratę specyficznych genów supresyjnych nowotworu i różnych populacji komórek macierzystych i/lub progenitorowych w których te genetyczne lub epigenetyczne zmiany zaszły. Podobieństwa zostały zaobserwowane w ścieżkach regulujących zasiedlanie komórek macierzystych i przerzutach, a wzrastające oznaki również zasugerowały, że porażka leczenia i nawroty ludzkiego raka mogą odzwierciedlać wewnętrzną nieaktywność i odporność na leki komórek macierzystych raka.
Wprowadzenie
Pomysł, że komórki macierzyste raka mogą być ważne w etiologii raka pojawił się nieco ponad wiek temu. W ciągu ostatnich dwóch dekad były rosnące oznaki, że nowotwór może również zawierać rakowe komórki macierzyste, rzadkie komórki z nieokreślonym proliferacyjnym potencjałem, który odpowiada za wzrost nowotworów i który może być odporny na zwykłe leczenia. Zgodnie z definicją, dorosła komórka macierzysta to komórka, która pochodzi z danego organu, ma długoterminową umiejętność replikacji i posiada zdolność do jednoczesnego samoodnawiania i różnicowania się w składniki komórkowe organu. Ta niezwykła cecha komórek macierzystych do podlegania podziałowi samoodnawiania jest ściśle regulowana przez zwykłe powstawanie narządów, a deregulacja samoodnawiania może być jedną z odpowiedzi na wydarzenia związane z kancerogennością.
Dowód na istnienie komórek macierzystych raka, czyli ograniczona populacja komórek nowotworowych, które również są zdolne do samoodnawiania i odpowiedzialne są za wzrost wszystkich składników heterogenicznego nowotworu, zostało pierwszy raz zademonstrowane w ostrej białaczce szpikowej (AML). W pionierskich badaniach wykonanych przez John'a Dick'a i jego kolegów, zostało pokazane, że jedynie mniejszość komórek białaczki wykazuje potrzebę pluripotencji, aby odtwarzać nowotwór w szpiku kostnym z NOD-SCID (non-obese diabetic-severe combined immunodeficiency) mysz. Następnie, badania z 2003, które okazały się kamieniem milowym, dostarczyły dowodu tej zasady używając modeli myszy, przez zademonstrowanie, że blokowanie samoodnawiania macierzystych komórek raka po usunięciu polikombowego (polycomb- wg wikipedii jakaś grupa potein) genu Bmil, może zapobiegać nawrotowi białaczki.
Aż do niedawna, identyfikacja komórek macierzystych zwartego (solid) nowotworu pozostawało trudne do ustalenia. W badaniach nad ludzkimi rakowymi komórkami macierzystymi ludzkiej białaczki, naukowcy użyli FACS (fluorescence-activated cell-sorting) z zestawem wyjątkowych znaczników powierzchni komórek, aby wyizolować subpopulację (subpopulation) komórek nowotworowych; komórki te zostały następnie przeszczepione do NOD-SCID mysz z upośledzeniem immunologicznym. Używając analogicznego podejścia, Micheal Clark i koledzy zastosowali znaczniki powierzchni komórek, aby wyizolować subpopulację wysoko nowotworowych komórek raka piersi z kilku ludzkich piersi mających raka, pierwotnie z przerzutowych wysięków opłucnowych.
Badania te wywołały wielkie zainteresowanie zarówno środowiska naukowego, jak i klinicystów, ponieważ reprezentują oni wzór zmiany dla rozwoju nad nowymi terapiami na raka. Hipoteza na temat komórek macierzystych raka ostatecznie zmieniła sposób w jaki patrzymy na nawrót raka. Używając terminów „komórki macierzyste raka” lub „komórki macierzyste nowotworu” w celu przeszukania PebMed w okresie pięcioletnim, od roku 2001, aż do dzisiaj wygeneruje więcej niż 700 cytatów z artykułów i publikacji. Około dwóch lat temu Micheal Clarke i jego koledzy opublikowali publikacje w „Current Opinion In Genetics & Development” zatytułowaną „Terapeutyczne wnioski z rakowych komórek macierzystych”. Dlatego też, nasza publikacja skupia się na postępie w tej gwałtownie rozwijającej się przez ostatnie dwa lata dziedzinie i omawia kilka kluczowych pytań, które pozostają bez odpowiedzi.
Początki komórek macierzystych raka
Jest kilka podstawowych pytań, które należy rozwiązać: która komórka jest początkiem komórek macierzystych raka? Czy pochodzą jedynie z transformacji spoczynkowej, długoterminowych komórek macierzystych, czy też może krótko żyjące komórki progenitorowe odzyskują umiejętność podlegania samoodnawiania? Ponieważ linie (lineages) hematopoetycznych komórek macierzystych są najlepiej opisane, pytanie te zostały zadane w pierwszych badaniach nad pochodzeniem białaczki. Wyniki z badań nad AML ujawniły, że podobne do komórek macierzystych inicjujące białaczkę, które są otrzymywane z różnych podtypów AML wykazujące różne stadia różnicujące podzielają podobne znaczniki (markers) powierzchni komórek z normalnymi długoterminowymi hematopoetycznymi komórkami macierzystymi, sugerujące, że rakowe komórki macierzyste powstały z przekształconych normalnych komórek macierzystych, a nie z bardziej zaangażowanych (commited) komórek progenitorowych. Hipoteza ta została potwierdzona również przez czynnościowe badania pokazujące, że komórki macierzyste białaczki, w podobny sposób do hematopoetycznych komórek macierzystych, są ułożone jako hierarchia do różnej zdolności samoodnawiania się.
Z kolei, badania prowadzone przez Wiesmann i jego kolegów zasugerowały, że nie tylko długoterminowe hematopoetyczne komórki macierzyste, ale również zaangażowane krótko żyjące progenitory komórek szpikowych mogą być przekształcone i powodować wzrost nowotworów z porównywalnym utajeniem, fenotypem i profilem ekspresji genowej. Na przykład krótko żyjące progenitory komórek szpikowych przetworzonych z onkogenową fuzją MLL-ENL (mixed-lineage leukemia-eleven nineteen leukemia) daje wzrost AML z podobną latencją porównywalną z oczekiwaną wyizolowanych komórek macierzystych. Eksperymenty te zaprezentowane za pomocą myszy zostały rozszerzone do progenitorów granulocytów-makrofagów wyizolowanych od pacjentów z kilku stadiów chronicznej białaczki (CML). Badania te ujawniły aktywację B- kateniny (B-catein) w CML progenitorach granulocytów- makrofagów wzmacnia ich możliwość samoodnawiania i aktywność białaczkową. Podobna konkluzja została uzyskana przez Huntley'a i innych (et al.), którzy badali transformację zaangażowanych progenitorów szpikowych z białaczkowym onkogenem MOZ-TIF2 (monocytic leukemia zinc finger protein- transcriptional intermediary factor 2). Podobnie jak w poprzednich badaniach z MLL-ENL, MOZ-TIF2, jednak interesujące, że to nie BCR-ABL (Breakpoint luster region- Abelson) był zdolny do wytworzenia AML, które może być wielokrotnie przeszczepiane. Dlatego też, wyniki te mogą podtrzymywać hipotezę, iż część, ale nie wszystkie, białaczkowe onkogeny mogą przekazywać właściwości samoodnawiania do obu zaangażowanych progenitorów i przenosić ich przemianę do białaczki. Badania te również zasugerowały, że różnorodność zaobserwowana w wielu typach ludzkiego raka może odzwierciedlać aktywację specyficznych onkogenów i/lub stratę specyficznych nowotworowych genów supresyjnych i różnego pochodzenia populacji macierzystych i/lub progenitorowych komórek w których wystąpiły wydarzenia genetyczne lub epigenetyczne.
Rozwój tych badań na temat zwartych nowotworów został zahamowany przez brak dokładnych znaczników, aby scharakteryzować rodowód komórek w obu normalnych tkankach i nowotworach wywodzących się z tych tkanek. Jednakże, w płucach, mózgu i prostacie- aby wykazać kilka przykładów- mnogość różnych znaczników powierzchni komórek zostało zidentyfikowanych tak, że umożliwia funkcjonalną izolację z macierzystych i/lub progenitorowych komórek, które mogą zainicjować onkogenezę. Poniekąd zaskakujące, subpopulacja bardzo onkogenetycznych komórek zostały wyizolowane również z kilku unieśmiertelnionych (immortalized) rakowych linii komórkowych.
Opór komórek macierzystych na leki
Komórki macierzyste mogą teoretycznie podlegać samoodnawianiu i różnicowaniu przez całe życie organizmu. Dlatego też, nie jest zaskakujące, iż elementy systemu samoobrony przeciw ksenobiotykom- elementy takie jak transportowe kasety wiążące ATP- są bardzo widoczne w komórkach macierzystych. Na przykład oporowa proteina raka piersi (BCRP-ABCG2), specyficzna transportowa wiążąca ATP kaseta jest widoczna w różnorodnych komórkach macierzystych, jak na przykład hematopoetycznych komórkach macierzystych, a ich obecność została bardzo obniżona w bardziej zaangażowanych komórkach jako funkcja różnicowania. Uważa się macierzyste komórki raka utrzymują tą cechę. Dlatego też, subpopulacje (side population- SP) komórek, których wypływ (efflux) barwił Hoechst, zostało zasugerowane, aby częściej je wiązać z ludzkim AML i było celem dla białaczkowych przemian. Ostatnio zostało doniesione, że BCRP było wielce obecne w komórkach CD34*/CD38-, zaproponowana subpopulacja komórek macierzystych z ludzkiego normalnego szpiku kostnego i szpiku kostnego pacjentów z AML, i zostało czynnie włączone w wypływ leków. Takie subpopulacje komórek zostały również zidentyfikowane z różnorodnych z podstawowych raków, włączając raka mózgu, piersi i płuc, jak również rakowe linie komórkowe. Badania pokazały, że są prawdopodobnie wzbogacone w komórki macierzyste raka i są odpowiedzialne za opór na chemoterapię.
Członkowie rodziny proteinowych kaset wiążących ATP, takich jak ABCG2, ABCB1/MDR-1 (multi-drug resistance-1), ABCC1 i ABCA2 zostały ujawnione, że są odpowiedzialne za fenotyp SP. Jednakże, komórki ABCG2* i ABCG2- wytworzone z kilku linii komórkowych raka, włączając w to prostatę, piersi i glejaka, wykazywały podobną kancerogenność. Z tego powodu, przyszłe badania powinny być zrobione tak, aby korelować ekspresję innych transportujących kaset wiążących ATP, ich wkład dla fenotypu SP, i ich funkcjonalną rolę w oporze komórek macierzystych na chemioterapię.
Komórki macierzyste raka i ich kliniczne znaczenie
Kolejnym podstawowym pytaniem, które pozostaje bez odpowiedzi to: „jaka są zasadnicze różnice pomiędzy sygnalizującymi szlakami (signaling pathways) normalnie, a macierzystymi komórkami raka, które mogą dostarczyć możliwości terapeutyczne”? Wyjaśnienie mechanizmu odpowiedzialnego za nawroty złośliwej choroby jest jedną z najbardziej istotnych spraw w badaniach nad rakiem. W niektórych rakach, jak na przykład rak piersi, 25% nawrotów może wystąpić po okresie 10 lat, a właściwości tych nowotworów są prawie zawsze podobne do tych z poprzednich nowotworów. Komórki macierzowe raka, pomimo, że mogą jedynie składać się z bardzo małej liczby komórek z nowotworem, są uważane za stosunkowo nieaktywne, dlatego też unikają toksyczność leków przeciwko rakowi, które celują w szybko dzielące się komórki. Dodatkowo na nowotworowy supresyjny gen PTEN i polikombowy gen Bmi1, molekularne ścieżki sygnalizujące, które ogrywają rolę w samoodnawianiu normalnych komórkach macierzystych- ścieżki takie jak wnt, Hh i Notch- również aktywnie uczestniczą w rozwoju raka.
Na przykład Bmil jest potrzebny, aby utrzymać dorosłe komórki macierzyste w niektórych tkankach, ponieważ ich geny represyjne, takie jak Ink4a i Arf wywołują przedwczesne starzenie się i śmierć komórki. Co jest interesujące, 11-genowy podpis (signature) został wyprowadzony z porównania genów związanych w Bmil z naniesioną (Bmil-driven) ścieżką w nerwowych komórkach macierzystych z którymi związane są przerzuty w TRAMP'ie (transgenic adenocarcinoma of the Mouse prostate cancer) mysim modelu raka prostaty. Podpis ten został zasugerowany, aby reprezentować podzbiór wysoce przerzutowych raków z wysokim prawdopodobieństwem nawrotu. Aczkolwiek prognozowane znaczenie tych badań pozostaje ważne, popierają hipotezę, że macierzyste i/lub progenitorowe komórki mogą być odpowiedzialne jednocześnie za przerzuty i nawroty raka.
Porównanie szlaków regulujących udomowienie (homing) komórek macierzystych z tymi związanymi z przerzutami mogą również dostarczyć nowych, ważnych spostrzeżeń w mechanizm związany z zarówno z przerzutami, jak i spoczynkiem. Na przykład oś (lub ośrodkowy układ nerwowy- axis) SDF1-CXCR4 (stromal cell-derived factor-CXC chemokine receptor 4) wydaje się prowitalnym regulatorem nie tylko zniewalającym (trafficking) komórki macierzyste ciała, ale również przerzuty. To doprowadziło do hipotezy, że migrujące komórki macierzyste raka wywodzą się z normalnych komórek raka dzięki genetycznym zmianom, które wpływają na „macierzystość” i nabłonkonowo- mezenchymatyczną tranzycję (transition). Pod tym względem, podwyższona aktywność szlaku Hh została ostatnio oznajmiona jako rozróżnianie przerzutów od zlokalizowanego raka prostaty, potencjalnie jako konsekwencję wzrostowej wygładzonej ekspresji. Co więcej, Beachy i jego koledzy zasugerowali, że Bmil może być następnym (DOWNSTREAM- żadne znaczenie tego słowa mi nie pasują i nie mam zielonego pojęcia, co by tu pasowało, więc wymyśliłam własne) celem szlaku Hh.
Zatem, czy jest możliwe, aby selektywnie celować te szlaki związane z samoodnawianiem komórek macierzystych raka? Leczenie myszy, z inhibitorami szlaku Hh, takimi jak cyklopamina lub odpowiedniki cyklopaminy, inhibitują wzrost rdzeniaków zarówno w ksenoprzeszczepie jak i genetycznie zmienione modele myszy, bez jakiekolwiek obecności toksyczności. Dlatego też, w przypadku nieobecności uszkodzenia lub zakażenie tkanki, szlak Hh może być nieaktywny w większości dorosłych tkankach, dlatego też minimalizuje się toksyczność tych inhibitorów. Inhibicja szlaku Notch ze specyficznymi inhibitorami gamma-secretase (nie mogłam znaleźć polskiego odpowiednika) dostarcza kolejnego potencjalnego celu, aby powstrzymać samoodnawianie komórek macierzystych raka, aczkolwiek w tej sprawie potencjalna toksyczność może być komórkową czarą (kielichu) metaplazji.
Dodatkowe podejścia (approaches) mogą zawierać identyfikację znaczników, które są różnie ekspresyjne na komórki macierzyste raka. Na przykład subpopulacja CD34*/CD38- hematopoetycznych komórek macierzystych i białaczkowych komórek macierzystych wykazują ekspresję na różne znaczniki komórkowe, z Thy-1 i ckit (nie wiem, czy to się piszę c-kit, czy ckit- końcówka pierwszej kolumny 3 strony) tylko są ekspresywne z hematopetycznymi komórkami macierzystymi, i receptorem IL-3 łańcucha alfa wyjątkowym na białaczkowych komórkach macierzystych. Dalsze badania identyfikują komórki macierzyste raka z różnych typów nowotworów i wykonują względne (porównawcze) profile ekspresji genowej z ich odpowiednikami normalnych komórek macierzystych może pomóc zidentyfikować potencjalne cele terapeutyczne. Klucz do tych badań pochodzą ze zrozumienia czynników i regulujących ścieżek normalny rozwój i odnowę komórek macierzystych. Na przykład, ludzkie dorosłe komórki macierzyste, unieśmiertelniają niekancerogenne komórki, komórki nowotworowe i linie komórkowe, ale nie zróżnicowane komórki, zostało ujawnione o ekspresji Oct-4 (Octamer-4), czynnik transkrypcyjny będący ważny dla pluripotencji w embrionalnych komórkach macierzystych. Ekspresja Oct-4 została również zaobserwowana w bardzo kancerogennej CD44*/CD24- inicjujący komórki raka piersi. Interesujące, nadekspresja Oct-4 pokazała w ostatnich badaniach dysplastyczny (displastic) wzrost nabłonków tkanek, które normalnie zależą od ciągłej ekspresji. Znaczenie tych obserwacji w większości ludzkich raków pozostaje do wyznaczenia.
W końcu, jest również prawdopodobne, że różnice pomiędzy normalnymi, a rakowymi komórkami macierzystymi mogą odzwierciedlać potranskrypcyjnie jak również potranskrypcyjne modyfikacje. Dlatego też, jeden potencjalny cel, który może być użyty, aby wyizolować kancerogenne komórki raka piersi, jest adhezyjnym receptorem CD44, który wykazuje dokładne różnicowanie splicingowe w normalnych komórkach i nowotworowych. Dlatego też, jest to wyobrażalne, że epitopy powierzchni komórki, które różnią się między normalnymi, a rakowymi komórkami macierzystymi, mogą dostarczać selektywnych celów dla terapii opartych na przeciwciałach.
Konkluzje
Pomimo wybuchu nowych informacji i gwałtownie rosnących liczby publikacji w ciągu ostatnich kilku lat w temacie „komórki macierzyste raka”, musi pozostać wciąż wiele do odkrycia (learned- zmieniłam trochę końcówkę, żeby brzmiała bardziej normalnie). Jest potrzeba lepszych znaczników pochodzenia komórek dla wielu typów komórek występujących w większości komórek i dla lepszych odczynników aby ułatwić izolację tych komórek w celu umożliwienia identyfikacji komórek początków różnych podtypów raków. Obecnie jest dostępnych mało informacji na temat naturalnego miejsca komórek macierzystych i szlaków regulujących spoczynek i samoodnawiania w obu normalnych tkankowych komórek macierzystych i rakowych komórkach macierzystych. W skrócie, jakkolwiek ostatnie odkrycia są zachęcające, jednak różnice w sygnalizujących szlakach w normalnych i rakowych komórkach macierzystych powinni być wyjaśnione, aby dostarczyć nowych celów terapeutycznych z ewentualnym celem eliminowania pozostałość choroby i nawrotom.