Syöpä. Karsinogeneesi. Karsinogeenien identifiointi. Karsinogeenit voidaan identifioida

Transkriptio

1 Karsinogeneesi Syöpä Jarkko Hietanen professori, LKT, HLL, M.Sc Hammaslääketieteen laitos Hammaslääketieteellinen patologia Karsinogeneesi on prosessi, jonka seurauksena normaalit solut transformoituvat neoplastisiksi soluiksi useiden geneettisten muutosten seurauksina. Tuumorit syntyvät yhdestä solusta, joka transformoituu Karsinogeenien identifiointi Karsinogeneesi tarkoittaa tarkasti ottaen malignien tuumoreiden (syöpien) syntymistä, kun taas onkogeneesi tarkoittaa kaikkien tuumoreiden syntymistä mukaan lukien hyvänlaatuiset ja pahanlaatuiset. Usein tarvitaan enemmän kuin yksi karsinogeeni tuumorin aikaansaamiseksi, usein prosessi tapahtuu useissa erillisissä tapahtumissa, puhutaan multistep hypoteesista. Useimmat syövät johtuvat ympäristötekijöistä. Laboratoriotestaukset voivat identifioida joitakin karsinogeenejä. Joitakin karsinogeenejä voidaan epäillä epidemiologisista tutkimuksista Karsinogeenit voidaan identifioida Useat karsinogeenit vaativat ko-faktoreita. Pitkä latenttijakso karsinogeenialtistuksen ja tuumorin löytämisen välillä vaikeuttaa karsinogeenin identifikaatiota. On arvioitu, että 85 % syöpäriskistä aiheutuu ympäristötekijöistä. Etiikka estää karsinogeenien kokeilemisen ihmisellä, eläinkokeet eivät ole aina rinnastettavissa ihmiseen, latentin intervallin pituus saattaa olla vuotta. Epidemiologisista tutkimuksista Määrittämällä työperäisiä riskejä Suora onnettomuudessa tapahtuva altistuminen Koe-eläimissä todettavat karsinogeeniset efektit, soluviljelmissä havaittavat transformoituvat vaikutukset Testaamalla mutageenisuutta bakteereissa

2 Eräitä esimerkkejä Lisää esimerkkejä Hepatosellulaarinen karsinooma on suhteellisen harvinainen ns. länsimaissa, mutta tavallinen esim. Afrikassa. Sen uskotaan syntyvän aflatoksiinista, joka puolestaan on Aspergillus flavuksen mykotoksiini. Mahdollista on, että aflatoksiini aiheuttaa tuumorisupressorigeeni p53:n mutaatioita. Myös hepatosellulaarisen karsinooman ja hepatiitti B- ja C-virusinfektion välillä on korrelaatio Ruokatorven karsinooma on tavallinen Kiinassa on todennäköisesti useita etiologisia tekijöitä, mahdollisesti maaperän nitraatit, maton tekemisessä käytetyt väriaineet, oopiumin johdokset jne Työperäiset ja käyttäytymiseen liittyvät syöpämuodot Kivespussin syöpä havaittu jo vuonna 1777 (Percival Pott), yhteys nuohoojilla ja kyseisen syövän välillä aiheuttaja on polysyklinen aromaattinen hiilivety Keuhkosyöpä selvä yhteys, lähes lineaarinen, poltettujen savukkeiden ja keuhkosyöpätapausten välillä erittäin huono ennuste muita mahdollisia riskitekijöitä ovat ilmansaasteet, erilaiset teollisuuden kaasupäästöt, myös alkoholi Kohdun kaulakanavan syöpä erittäin tavallinen prostituoiduilla, äärimmäisen harvinainen nunnilla selvä yhteys partnereiden lukumäärällä HPV tärkeä etiologian kannalta tupakointi mahdollinen etiologinen ko-faktori Virtsarakon syöpä aniliiniväri-teollisuudessa erityisesti miehillä tavataan lisääntynyttä insidenssiä yhteys on havaittu jo 1890-luvulla -naftylamiini on aiheuttava tekijä lokakuussa v tullut rokote Suomen markkinoille

3 Koemalleilla saadut havainnot Kilpirauhasen karsinooma ja lasten saama säteilyannos huhtikuussa 1986 Tsernobylin ydinvoimala räjähtää vapauttaen suuria määriä radioaktiivista materiaalia ilmakehään neljän vuoden latentin ajanjakson jälkeen Ukrainassa on todettu dramaattinen kilpirauhaskarsinooman lisääntyminen lapsilla syyllisenä on mm. radioaktiivinen jodi Koe-eläimillä voidaan aikaansaada hyvänlaatuisia ja pahanlaatuisia kasvaimia. Solu- ja kudosviljelyissä voidaan etsiä kasvutekijöitä ja transformoivia tekijöitä. bakteeriviljelmissä voidaan testata mutageenisyyttä esim. hiirilavantautibakteerissa. Korrelaatio ihmiseen ei aina ole hyvä Pääkarsinogeeniset aineet ovat Kemialliset karsinogeenit Kemialliset aineet Virukset Ionisoiva- tai ei-ionisoiva säteily Hormonit, mykotoksiinit ja parasiitit Erilaiset muut aineet Ei välttämättä yhteistä kemiallista struktuuria. Vaativat usein metabolisen muutoksen aktiiviseksi karsinogeeniksi. Tärkeimmät ryhmät ovat polysykliset aromaattiset hiilivedyt, aromaattiset amiinit, nitrosamiinit, atso-väriaineet, alkyloivat aineet Polysykliset aromaattiset hiilivedyt Aromaattiset amiinit Keuhkosyöpä tupakansavu sisältää useita kandidaatteja, joilla on karsinogeeninen aktiviteetti tärkein on todennäköisesti 3, 4 bentsopyreeni Virtsarakonsyöpä väri- ja kumiteollisuudessa aiheuttaja -naftyylamiini

4 Nitrosamiinit Atsoväriaineet Gastrointestinaalikanavan karsinoomat useissa elintarvikkeissa on nitraatteja ja nitriittejä, nitraatteja käytetään maataloudessa, josta ne sadeveden mukana huuhtoutuvat jokiin ja juomaveteen lisäksi nitraatteja ja nitriittejä käytetään runsaasti ruoan lisäaineena suoliston bakteerit muuttavat nitraatit ja nitriitit karsinogeenisiksi nitrosamiineiksi Aiheuttavat maksasyöpää Onkogeeniset virukset Virusten aiheuttamat tuumorit ovat tavallisempia nuoremmilla ihmisillä. Immunosupressio suosii virus-onkogeneesia. EBV-virus aiheuttaa Burkittin lymfoomaa ja HPV-virukset aiheuttavat kohdun kaulakanavan syöpää. Onkogeeninen viruksen DNA inkorporoituu suoraan isännän DNA:han. Onkogeeninen RNA muuttuu käänteiskopioijaentsyymin avulla DNA:ksi (onkogeeniset retrovirukset) Säteilyenergia Ultraviolettisäteet Ultraviolettivalo on ihosyövän pääasiallinen syy. Ionisoivalle säteilylle altistuminen aiheuttaa monien syöpätyyppien lisääntynyttä riskiä, mukaan lukien leukemiat. Ihosyövän tärkein riskitekijä. UVB on vaarallisempaa kuin UVA. Xeroderma pigmentosum-nimisessä ihosairaudessa on synnynnäinen puutos DNA:n korjausentsyymeissä, joka aiheuttaa näille potilaille lisääntynyttä melanoomariskiä ja syöpäriskiä

5 Ionisoiva säteily Leukemia oli tavallista röntgensäteilyn pioneereilla. Radioaktiivisen uraanin kaivostoiminnassa on todettu lisääntynyt keuhkosyöpäriski. Atomipommiräjäytykset lisäävät leukemiariskiä. Tsernobyl ja thyreoidea karsinoomariski Erityisen herkkiä ionisoivan säteilyn karsinogeenisille vaikutuksille ovat kilpirauhanen, rintarauhanen, luu ja vertamuodostavat kudokset Biologisten agenttien osuus syövän synnyssä Eräät yhdisteet, jotka luonnollisesti esiintyvät ihmisessä, kuten esim. estrogeenit omaavat merkittävän roolin syövän synnyssä. Syöpä voi syntyä myös joidenkin parasiittien aiheuttaman infektion perusteella. Samoin ruoka, joka on kontaminoitunut esim. aflatoksiineilla voi saada aikaan hepatosellulaarista karsinoomaa. Helicobakteerilla on todennäköisesti merkittävä osuus mahasyövän synnyssä Muita karsinogeenejä Asbesti käytetty eristemateriaalina ja autojen jarrupaloissa aiheuttaa asbestoosia Metallit nikkelille altistaminen lisää nenäonteloiden limakalvon karsinoomaa ja keuhkokarsinoomaa aiheuttaa mesotelioomia ja keuhkokarsinoomia mesoteliooma tavallisesti esiintyy pleurassa

6 Isäntäelimistön tekijät syövän synnyssä Rotu ihosyöpä on epätavallista tummaihoisilla suusyöpä on erittäin tavallista Intiassa ja kaakkois-aasiassa rodullisten tekijöiden lisäksi myös erilaiset tupakankäyttötottumukset vaikuttavat korkeaan suusyöpä-frekvenssiin em. maissa esimerkkinä mahasyöpä on suhteellisen epätavallinen Afrikassa, mutta sen insidenssi Pohjois-Amerikan tummaihoisten joukossa, jotka ovat muuttaneet Pohjois-Amerikkaan, lähentelee kyseisen maanosan valkoisen väestöryhmän mahasyöpäfrekvenssiä Ruokavalio ruokavalio voi sisältää prokarsinogeenejä ja karsinogeenejä ruokavaliosta voi puuttua suojatekijöitä suolen läpikulkuaika on merkityksellinen ruokavalion karsinogeeneille rasvainen ruokavalio lisää rintasyövän ja paksusuolen syövän riskiä alkoholin käyttö lisää rintasyövän riskiä ravinnon kuitupitoisuudella on suojaava vaikutus paksusuolen syövän kannalta, koska kuitupitoinen ruoka edistää nopeaa suolen tyhjentymistä ja pienentää näin ollen karsinogeenien kontaktiaikaa suolen limakalvolla Peritty alttius Ikä Rintasyöpä; nainen, jonka äidillä ja yhdellä siskolla on rintasyöpä, on 50 % todennäköisyys saada rintasyöpä itselleen. Kyseinen geeni on BRCA1 kromosomissa 17. Polyposis coli on autosomissa dominantisti periytyvä alttius kehittää paksusuolen alueelle lukuisia polyyppeja, jotka myöhemmin muuttuvat karsinoomiksi. Retinoblastoma on maligni lasten silmissä esiintyvä tuumori, epänormaalius on kromosomissa 13. Syöpäriski kasvaa iän myötä. Kumuloituvat geneettiset muutokset (mutaatiot tekevät ikääntyvän solun herkemmäksi karsinogeenien vaikutuksille). Mahdollisesti sisäänrakennetut puolustusjärjestelmät kuten esim. luonnollisten tappajasolujen toiminta heikentyy tai katoaa iän myötä

7 Sukupuoli Premaligni leesio Rintasyöpä on 200 kertaa tavallisempaa naisilla kuin miehillä. Tämä johtuu rintarauhaskudoksen epiteliaalisen volyymin suuremmasta määrästä ja myös estrogeenien promootiosta. Rintasyöpää lisää lapsettomuus ja jos ei ole imettänyt lapsiaan, samoin kuin aikainen menarche-ikä ja myöhäinen menopaussi. Siihen liittyy lisääntynyt riski muodostua maligni tuumori. Esimerkkinä mainittakoon paksusuolen adenomatoottiset polyypit Premaligni yleistila (condition) Yleistila, johon liittyy malignien tuumorien lisääntynyt riski. Esimerkkinä krooninen colitis ulcerosa lichen planus Sellulaariset ja molekulaariset tapahtumat karsinogenesiksessa Multistep -tapahtuma Voi vaatia initiaattoreita ja promoottoreita Kasvu jatkuu, vaikka aiheuttavat tekijät eivät ole läsnä Geneettisiä muutoksia onkogeeneissa ja tuumorisupressorigeeneissa Eksperimentaalinen karsinogeneesi Initiaatio Multistep -teoria perustuu havaintoihin, jotka on saatu kemiallisilla aineilla tehdyistä kokeista laboratorioeläimissä. Eksperimentaalinen karsinogeneesi on osoittanut, että tarvitaan kaksi päätapahtumaa solujen transformoimiseksi normaaleista neoplastisiksi; initiaatio ja promootio. Tarkoittaa tapahtumaa, joka indusoi leesiossa genomissa muutoksen, joka aikaansaa neoplastisen muutoksen

8 Promootio Metyylikolantreeni Tapahtuu klonaalinen proliferaatiostimulaatio initioituneissa transformoiduissa soluissa. On tyypillinen initiaattori, joka indusoi kohdesolussa DNA-muutoksia. Krotonöljy promotoi initioitujen solujen kasvua Kyseisen kaltaisia kokeita ei voida tietenkään tehdä ihmisellä, mahdollinen vaste ihmiselimistössä on epiteelidysplasia, jota tavataan kohdun kaulakanavassa ja myös suun limakalvolla. Näissä kohde-elimissä ajatellaan esiintyvän samankaltainen initiaatio- ja promootio-tapahtuma kuin koe-eläinmalleilla. Kun initiaatio- ja promootiotapahtumat ovat käynnistyneet ja edetään riittävän pitkälle tapahtuu tuumorissa ns. persistenssi-tapahtuma, joka tarkoittaa sitä, että ei tarvita sen paremmin initiaattoria kuin promoottoria, koska tuumorisoluilla on autonominen kasvukyky Tuumorien geneettiset poikkeavuudet Myöhemmissä vaiheissa prosessi tarvitsee riittävän verenkierron. Tämän aikaansaamiseksi tuumori erittää angiogeenisiä kasvutekijöitä, joka mahdollistaa tuumorin riittävän verenkierron ja tuumorin jatkuvan kasvun. Kromosomipoikkeavuudet ovat varsin tavallisia (Philadelphia kromosomi). Onkogeenit: geenit, jotka säätelevät solujen kasvua ja differentaatiota ekspressoituvat poikkeavasti useissa tuumoreissa

9 Karsinogeneesin geneettisiä mekanismeja Peritty tai mutaation kautta tapahtuva tuumorisupressorigeenien menetys saa aikaan tuumorin kasvun. Onkogeeniekspressio saa aikaan autokriinisen kasvustimulaation. Dominanttien stimulaattorigeenien - onkogeenien - lisääntynyt tai epänormaali ekspressio. Tuumorisupressorigeenien menetys tai resessiivisten inhibiittiogeenien inaktivaatio Tuumorisupressorigeenejä Yhteenveto: Onkogeenit ovat dominantteja geenejä, tuumorisupressorigeenit resessiivisiä geenejä. Näin ollen tuumorisupressorigeenit vaativat molempien alleelien mutaation, jotta ne tulisivat inaktiiviseksi ja olisivat näin ollen kykenemättömiä estämään tuumorin kasvun. Rb-geeni tavataan lapsilla retinassa, aiheuttaa hereditäärisen retinoblastooman, geenivirhe kromosomissa 13. Hereditäärinen retinoblastooma tarvitsee vain yhden lisämutaation tuumorin kehittymiselle. Sporadinen retinoblastooma tarvitsee kaksi mutaatiomenetystä kromosomissa p53 geeni Kyseessä tuumorisupressorigeeni, joka sijaitsee kromosomissa 17. p53 normaaliolosuhteissa on genomin vartija. p53 menettää normaalin funktionsa mutaatioiden seurauksena a) geeniä ei lueta (ns. nonsense-mutaatio) b) koodaa defektiivistä proteiinia (missensemutaatio) Kompleksi, jossa on normaali p53 ja mutantti p53 (heterotsygootti henkilö tai solu) edellyttää, että normaalisti toimiva alleeli inaktivoituu

10 Onkogeenit Yhdistämällä normaali p53 esim. onkogeenisen DNA-viruksen proteiiniin, jolloin p53 inaktivoituu. p53:ssa tapahtuvat muutokset johtavat mitoottiseen kasvuun mieluummin kuin apoptoottiseen solukuolemaan. Perinnöllinen Li-Fraumeni syndrooma, potilaalla alttius monenlaisiin tuumoreihin syntymähetkellä potilaat ovat heterotsygootteja yhdelle defektiiviselle geenille. Eläinten tuumorivirukset johtivat jäljille, joiden avulla löydettiin geenit, jotka indusoivat syöpää, tästä nimi onkogeenit. Nopeasti havaittiin, että onkogeeneillä on vastine normaalissa ihmissolussa = protoonkogeenit. Monesti tämä unohdetaan ja termiä onkogeeni käytetään normaaleista solujen geeneistä. Mutatoituneet onkogeenit kulkevat nimellä aktivoituneet onkogeenit Onkogeenien aktivaattio Normaaleissa soluissa onkogeenit kontrolloivat useita solun toimintoja, nämä toiminnat muuttuvat syövässä erittävät kasvutekijöitä solukalvoreseptoreita DNA:han sitoutuvia tumaproteineja, transkriptiotekijöitä solusykliregulaattoreita intrasellulaarisia signaalivälittäjiä On avaintapahtuma malignissa transformaatiossa. Tapahtuu ainakin kolmella eri tavalla pistemutaatiot amplifikaatio, jonka seurauksena soluissa on useita geenikopioita translokaatio, jossa onkogeeni siirtyy alueilla, joissa on suuri transkriptio-aktiivisuus Eräitä onkogeenejä Invaasio abl proteiinityrosiinikinaasiaktiviteetti myc sitoutuu DNA:han suoraan stimuloiden synteesiä sis kasvutekijä (PDGF) erbb epidermaalisen kasvutekijän reseptori Invaasio on tärkein yksittäinen maligniteetin kriteeri. Invaasio johtuu epänormaalista solujen motiliteetistä, alentuneesta solujen koheesiosta ja protelyyttisten entsyymien tuotannosta. ras vaikuttaa intrasellulaariseen signaalivälitykseen

11 Metastaasi Metastaattinen kaskadi Tarkoittaa tapahtumaa, jossa primaarituumorista muodostuu kaukometastaaseja (sekundaarisia tuumoreita). Tavallisesti metastaasitiet ovat lymfaattiset tiet, veritiet ja ruumiinontelot. 1. Tuumorisolujen irtoaminen naapurisoluista. 2. Invaasio sidekudokseen, jossa metastaattiset solut hakeutuvat joko verisuoniin tai lymfasuoniin. 3. Intravasaatio suonitilojen sisälle Tuumorin ennuste 4. Välttyminen isäntäelimistön puolustusmekanismeilta, kuten luonnollisten tappajasolujen (NK cells) toiminnalta veressä. 5. Kiinnittyminen endoteeliin kaukometastaasikohteessa. 6. Malignien solujen ekstravasaatio suonen sisältä ympäröivään kudokseen. Riippuu: Tuumorityypistä (esim. melanooma, levyepiteelikarsinooma) Tuumorin erilaistumisasteesta Tuumorin leviämisasteesta Strooman piirteestä, kuten esim. lymfosyyttien infiltraation määrästä Erilaisia käsitteitä Metaplasia:kypsän kudoksen muuntuminen toisentyyppiseksi, esiintymispaikalleen vieraaksi kudokseksi esim. metaplasia squamosa = levyepiteelimetaplasia = kerrostuneen levyepiteelin esiintyminen lieriöepiteelialueella, esim. keuhkoputkessa tai kohdun kaulakanavassa Dysplasia: erilaistumishäiriö Anaplasia: solujen erilaistumisen taantuminen (dedifferentaatio), vajaa erilaistuminen. Hamartooma: kasvaimen tapainen muodostuma (esim. luomi), joka koostuu oikealla paikallaan tavallista runsaammin esiintyvistä kypsistä soluista

12 Normal mucosa 9p loss Alternate precursor lesion Benign squamous hyperplasia Neoplasia: uudiskasvu/kasvaimen muodostuminen Neoplasma: uudismuodostuma/kasvain neoplasma benignum: hyvänlaatuinen kasvain neoplasma malignum = pahanlaatuinen kasvain Dysplasia Carcinoma in-situ Invasion 3p, 17p loss 11q, 13q, 14q loss 6p, 8p 4q loss Fig. 6.5 Schematic representation of the multistep progression of oral squamous Hammaslääketieteen carcinoma. laitos/jarkko Hietanen