Tumörbiologi/molekylärbiologi Håkan Olsson Onkologiska avd Jubileumsinstitutionen Lund

Vad är en tumörsjukdom Abnorm växtprocess i kroppen som uppvisar Invasiv växt Förmåga att åstadkomma dottersvulster Vävnadsdefinition Cellnivå mängd DNA kromosombild genuttryck mutationer

Lymph gland metastases

Generella konstaterande Var tredje människa kommer att få en tumörsjukdom under sin livstid 55-60% kommer att botas/bli långtidsöverlevande Tumörsjukdom har alltid funnits så länge människan existerat Olika tidsåldrar och kulturer skiljer sig åt f.a var i kroppen sjukdom har drabbat individen

Egenskaper hos en tumör Självförsörjande på tillväxtfaktorer Okänslig för tillväxt-hämmande faktorer Försöker undvika apoptos Obegränsad replikation Ihållande angiogenes Invasion av vävnad Kan ge upphov till dottersvulster

Growth factors (e.g. EGF, amphiregulin TGFa) How do we translate complex molecular interactions into therapeutic benefit? Anti-growth factors (e.g. TGFb) Tubulin WNT Frizzled Dishevelled GSK-3b APC TCF Cell TGFbR E-Cadherin b-Cutenin b-Cutenin:TCF p16 CdC42 PI3K Rac ECM Integrins Fak Cycl D:CDK+ p15 Smads Src Cas Crk Rb HPVE7 Fyn PLC p27 Growth factors (e.g. EGF, amphiregulin TGFa) Shc E2Fs Surface Ag NF1 PKC Mos MKKs JNKs JUN Cycl E:CDK2 p21 Grb2 DNA damage sensor RTK SOS Ras Ral MEK MAPK MAPK ELK Fos Changes in Gene Expression Cell Proliferation (cell cycle) Max:Max MEKK Myc:Max p53 Abl CdC42 Rac Rho GPCR ligands 7-TMR G-Prol Ad Cycl PKA CREB ARF MDM2 Nuclear receptors (e.g. oestrogen) NHR (e.g. ER) Bax PKC NF-kB NF-kB Mitochondria Stat 3.5 Survival factors (e.g. IGF1) Cell Death (Apoptosis) Bcl-2 RTK P13K Akt Akka IKB Caspase 8 FADD Stat 3.5 ? PTEN Caspase 9 Fap Fas Death factors (e.g. FasL) Cytochrome C Stat 3.5 Bcl XL Bcl-2 Decoy R Bad Mitochondria Bid Jaks Abnormality sensor Bim, etc. Cytokine R Cytokines (e.g. ILs, IFNs) Hanahan D, Weinberg RA. Cell 2000;100:57–70

Egenskaper hos en tumör In vivo In vitro Obegränsad replikation Abnorm reglering av tillväxtfaktorer Okänslighet för tillväxtfaktorer Upphävd apoptos Invasion av vävnad/metastasering Ihållande angiogenes Genomisk instabilitet Kontinuerlig proliferation, odödlighet Nedsatt behov av tillväxtfaktorer, serumoberoende, Förlust av kontaktinhibition Proteassekretion Förändrad gentranskription Bristande apoptos

Cancer in progenitor cells Normal haematopoesis Mature cells Stem cell Progenitor cell Oligolineage precursor Cancer Cancer in stem cells Cancer in progenitor cells Reya et al, Nature 2001; 414: 105-111

Tumour loses it ability to generate new cells Drugs that kill tumour stem cells CSC Tumour loses it ability to generate new cells Drugs that kill tumour cells but not cancer stem cells CSC Tumour degenerates Tumour shrinks but grows back CSC Reya et al, Nature 2001; 414: 105-111

Breast cancer ductal lobular Breast cancer development ADH/DCIS 5-10% 90% glandular stem cell -16q CK5+;CK8+/CK18+ CK5-;CK8+/CK18+ CK5+ CK5+ UDH CK5+/sm-actin+ sm-actin+ myoepithelial EGFR+, ER-,PGR- Ki-67 cyclin A, p53, Ki-67, nondiploid ERBB2+ ER+ PGR+ (no diff cyclin D1 and cyklin E) p27, p21, bcl-2

Onkgener och suppressorgener Mekanismer för aktivering av onkgener Mekanismer för inaktivering av suppressorgener Amplifiering Kromosomtranslokation Mutation RNA virus Mutation Imprinting (metylering) DNA-virus Deletion (Loss of heterozygosity)

Tumörväxt I medeltal fyra mutationer för att etablera en tumör I=kt4 Gompertzka tillväxtkurvan Antal celldelningar/tumörstorlek

Gompertzka celltillväxtkurvan Volym Tid

16 8 0.5 1 Diameter 2 4 1.0 0.5 0 20 40 60 80 Billioner celler screening symtom död 0.5 0 20 40 60 80 Antal celldelningar

Tumörutveckling

Tumörväxt Seed and soil theory Invasivitet och metastasering Angiogenes

Cancer Care Programs

Kontrollerade kliniska prövningar- evidensbaserad medicinsk verksamhet Jämför standardbehandling A med den nya behandlingen B ”det är oetiskt att inte utföra kliniska prövningar”

Vilka olika behandlingsmodaliteter finns det? Kirurgi Strålbehandling lågenergi högenergi Hormonella behandlingar Cellgiftsbehandling Immunterapi Hypertermi Laserbehandling Tillväxtfaktor/cellsignalkedje- behandlingar Genterapi 1800 1900 1920 1950 1970 1990 2000

Kirurgi lågenergi högenergi Vilka olika behandlingsmodaliteter finns det? Psykologiskt stöd Antibiotika Transfusionsmedicin Antiemetika Stamcellsstöd Kontroll av sen- biverkningar Kirurgi Strålbehandling lågenergi högenergi Hormonella behandlingar Cellgiftsbehandling Immunterapi Hypertermi Laserbehandling Tillväxtfaktor/cellsignalkedje- behandlingar Genterapi 1800 1900 1920 1950 1970 1990 2000

Kirurgins utveckling Diagnostik tumörtyp stadieindelning Behandling mindre traumatiserande ingrepp integrerats med andra behandlingsmodaliteter ex metastaskirurgi rekonstruktion för att efterlikna normalfunktion

Joniserande strålning

Primärtumörens storlek Förutom primärtumörens storlek, används lymfkörtel- metastasering och fjärrtumör- metastasering vid stadie- indelning av en tumör Ex vid bröstcancer T1, N0, M0 är en tumör i stadium I

senescence crisis immortal Telomere length Activation of oncogenes (i.e. myc) Loss of senescence checkpoints (p53, Rb) Loss of crisis checkpoint (DNA damage) Activation of telomerase senescence crisis immortal Normal cells Premalignant Rampant Malignant cells cells genomic instability

Tumörantigener Tumörspecifika antigen* Tumörassocierade antigen* Ex MAGE ag Tumörassocierade antigen* Både normal och tumörcell Virusantigen* EBV LMP, HPV E7 Onkofetala antigen CEA, AFP Differentieringsantigen PSA *CD8+ cytotoxiska lymfocyter

Paraneoplastiska symtom hormonlika Cushing syndrom ACTH lik Hypercalcemi Parathormonrel. Peptid TGFa,ß Hyponatremi ADH Polycytemi Erytropoetin Trosseau syndrom Hyperkoagulation Hypoglykemi Insulinlik peptid Carcinoid syndrom Serotonin, bradykinin

Paraneoplasi antikroppar vs T-celler Myasteni, Lambert Eaton Neuropati, encefalit, myelit, lillhjärnsdegeneration, retinopati Dermatomyosit,acantosis nigricans Osteoartropati Nefros

Infektion och cancer Parasit Virus Bakterier Schistosomiasis (blåsa), Clonorchis(cholangiocarcinom Virus HBV&HCV levercancer, EBV nasopharynxca, Burkittlymfom, vissa B och T cellslymfom, posttransplantationslymfomproliferation Humant herpesvirus 8 Kaposisarkom Humant papillomvirus 16, 18. Cervixcancer HTLV1 Tcellsleukemi Bakterier Helicobacter pylori (cancer och lymfom i magsäck)

Angiogenes

Tumörväxt klonalitet-genetisk instabilitet proliferation, celldöd, anoxiska-lågnutrierade delar tumörheterogenitet

Tumörens nutrition och syretillförsel

Cellgifter Joniserande strålning Tumörens nutrition och syretillförsel

Tumörväxt Behandlingsresistens tumörheterogenitet cellproliferation-cellvila blodförsörjning-hypoxi levermetabolism MDR resistens, P-glykoprotein DNA reparation genuttryck p53, hormonreceptorer, ERBB-2 amplifiering av androgenreceptor normalvävnadsbiverkningar låga blodvärden

Varför är det bättre att ge en behandling uppdelad i fraktioner eller cellcykler istället för att ge den vid ett enda tillfälle? Varför kombinerar man ofta cytostatika? Hur länge skall man fortsätta behandling?

Vävnadsvolym Normalvävnad Synlig tumör Tumörvävnad Tid Behandling

Cytostatikautveckling 1956-1996 Nya preparat per år

Tumörcellen Abnorm kommunikation med andra celler/stödje- vävnad Abnorma membranreceptorer Abnormt cytoskelett Abnorm cellsignalering membran-cytoplasma-kärna Abnorm metabolism Abnormt DNA för lite lika mycket för mycket Abnormt uttryck av gener för mycket mRNA, protein för litet mRNA, protein Abnorm DNA reparation Derangerad transkriptionskontroll Abnorm cellproliferation Abnorm celldöd apoptos Tumörcellen

Tumörcellen Cellcykel i regel ej kortare utan lika eller lite längre än normalvävnaden Fler celler kan dock vara inne i cykel, färre i G0 DNA reparationen kan vara sämre

Metastasteorier Primärtumör Primärtumör Metastaser Metastaser hjärna skelett hud skelett hud hjärna Primärtumör Lymfkörtel Fjärrmetastaser Primärtumör lymfkörtel Metastaser Metastaser

Behandling Kirurgi Laserbehandling Strålbehandling Lokal Generell Kirurgi Laserbehandling Strålbehandling Extern Intern Cytostatikabehandling Hormonmanipulation Antiangiogenesbehandling Immunterapi Strålterapi Isotopterapi(strontium, p32)

High differentiated ductal carcinoma Low differentiated ductal carcinoma

55-årig man med stadium I larynxcancer, storrökare sedan 15 års ålder, kommer till dig för strålbehandling.

Lungcancer hos 48 årig man, storrökare sedan 18 års ålder.

Prognostiska faktorer vid en tumör Vilka finns det?

Prognostiska faktorer vid en tumör Chronologic factors Biologic factors

Prognostiska faktorer vid en tumör Tumörstorlek Lymfkörtelmetastasering Fjärrmetastasering Tumörtyp Tumördifferentiering Tumörlokal Ålder Allmäntillstånd Anamneslängd Kön Cellproliferation Celldöd(apoptos,nekros) Onkgenamplifiering Suppressorgenförluster DNA mängd Antal genetiska aberrationer Specifika genetiska aberrationer Kärlmängd-angiogenes Vävnadsinvasion-proteaser Kärlinvasion blodkärl lymfkärl Tumörmarkörer

Behandlingsresultaten är olika bra för olika tumörsjukdomar några exempel Mycket goda testikelcancer lymfkörteltumörer ex Hodgkins sjukdom barnleukemier Goda bröstcancer tjocktarmscancer leukemi (vuxna) Mindre bra lungcancer hjärntumörer

Varför väljs en viss typ av behandling? Tumörtyp Tumörstadium Tumörläge Andra sjukdomar (Ålder) Tidigare behandling Biverkningsprofil Patientönskan (Kostnad)

Överlevnad per stadium Efter Cutler 1974

Långtidsöverlevnad stadium I-II Efter Brinkley, Haybittle & Houghton, 1984

Överlevnad i (%) Uppföljningstid Hormonell manipulation 5 10 15 år Ooforektomi kvinnor <50 alla + 74 60 52 - 69 54 46 körtelpositiva + 52 44 37 - 39 31 24 körtelnegativa + 84 80 75 - 83 74 67 källa EBCTCG 1995

Överlevnad i (%) Uppföljningstid Tamoxifen 5 10 alla åldrar körtelpositiva + 69 50 - 65 42 körtelnegativa + 89 75 - 87 71 källa EBCTCG 1992 Effekten är starkare hos postmenopausala kvinnor, störst effekt hos ER+, oberoende effekt mot kemoterapi hos postmenopausala kvinnor, ingen oberoende effekt hos premenopausala kvinnor, fem års behandling bättre än ett eller två års behandling, reducerar med 40% risken för en ny cancer i andra bröstet. Fungerar som kemoprevention i riskgrupp. Ooforektomi och tamoxifen likartad effekt premenopausalt.

Överlevnad i (%) Uppföljningstid Kemoterapi adjuvant 5 10 15 år alla + 74 60 52 - 69 54 46 >3 körtlar positiva + 52 44 37 - 39 31 24 körtelnegativa + 84 80 75 - 83 74 67 källa EBCTCG 1995

Tumörcellen Onkogener Suppressorgener, gate keepers DNA reparationsgener, fidelity genes, care takers

Framtiden?

Scientific American July 2000 The completion of the human genome

Modellorganismer för vilka totala genomet är känt eller kommer snart att bli känt Yeast (S. Cerevisiae) 1996 38% homologi människan av totalt 6050 protein C.elegans 1998 33% av 6000+ proteinter lika som människan Drosophila 2000 (mars) 50%av 7000 proteiner lika som hos människan och 60% av 289 kända sjukdomsframkallande gener hos människa lika Mouse (2003?) 90% proteiner homologa med människa

Positive and negative cell cycle regulators MPF ? M G0 G2 growth factors p16 / MTS1 cell cycle  Cyclin D + CDK4 G1 myc S Restriction point Cyclin D E2F CDK2 RB1 CDK2/4 E2F DNA damage E2F p107 RB1  E2F PO4 p53 p107  Cyclin A p21 / WAF1 + Cyclin E CDK2 CDK2 apoptosis GADD45 senescence  p27 DNA repair ? TGFß

Onkogener Suppressorgener

Coloncancerutveckling

Los of function mutation Clear-cell renal carcinoma vascularization Loss of function: mutation of VHL E3 Ligase Los of function mutation VHL E3 Ligase Proline Hydroxylase Ub HIF-1 Ub Hypoxia Ub HIF-1 HIF-1 HIF-1 HIF-1 HIF-1 VEGF HIF-1 HIF-1

Signalering

Möjliga molekylärbiologiska targets för terapi Cellytan Her2-neu(ERBB2) Herceptin CD20 Rituximab (mabthera) Cellsignalering RAS farnestyltransferas farnestyltransferashämmare Cellkärna Hormonreceptorer Tamoxifen p53 genterapi

DNA chip för att spåra sjukdomsanlag

Microarray Type of disease Tumour biology Prognostic factor Predictive factor Pharmacogenetics Initial treatment Recurrence Metastatic disease

Vilka olika behandlingsmodaliteter kommer det att finnas? Kirurgi Strålbehandling lågenergi högenergi Hormonella behandlingar Cellgiftsbehandling Immunterapi Hypertermi Laserbehandling Tillväxtfaktor/cell signalkedjebehandlingar Kemoprevention Genterapi Kraftigt individualiserad behandling 1800 1900 1920 1950 1970 1990 2000 2020

Målinriktad terapi (targeted therapy) Antikropps- och små molekylbehandlingar sutent nexavar avastin tarceva iressa erbitux velcade glivec sprycel herceptin mabcampath mabthera Hormonella behandlingar faslodex aromasin femar arimidex tamoxifen 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 år

Indelning av leukemier Akuta AML (akut myeloisk leukemi) ALL (akut lymfatisk leukemi) Kroniska KML (kronisk myeloisk leukemi) KLL (kronisk lymfatisk leukemi)

Akut leukemi Förekomst I befolkningen 5/100000/ år (<0.5/100 under livstid) Exponering för joniserande strålning ≤80/100000/år Exponering för bensen 13/100000/ år Cellgiftsbehandling 15-100/100000/ år Prognos AML barn 5 års överlevnad 35-40% vuxna 10 års överlevnad 10-20% ALL barn 10 års överlevnad 50-70% vuxna 10 års överlevnad 20-35%

CML 1) stem cell transplantation mortality 15-20% 2) alpha interferon 3) ST1571

Effects of ST1571(Gleevac) CML Stroma cells tumours of the GI tract rec CD117, product of oncogene c-kit tyrosine kinase activity Other tumours?

Effekt vid CML Kronisk fas 98% tumörrespons (36% komplett) Akut fas (17%komplett) Blastkris 59% tumörrespons (7% komplett) Snabb effekt men kort duration Amplifiering av fusionsgen ej mutationer i andra gener