Patofyziologie a biologie nádorového růstu
Pojem rakovina je nesprávným překladem řeckého pojmenování karkinoma (nebo anglicky Cancer = krab), jež údajně použil již Hippokrates pro označení rakoviny prsu připomínající klepeta kraba. Jako druhá spojitost s klepety odkazuje na invazivní růst maligních neoplazií pevně spojených s primární tkání (proto se termín rakovina používá častěji pro maligní bujení). Z biologického hlediska je vhodnější termín neoplazie, jenž označuje nový růst tkáně. Na rozdíl od zdravé tkáně je růst neoplazie rychlejší s nekontrolovatelnou proliferací, buňky nejsou dostatečně diferencovány a alterovaná je rovněž jejich komunikace a adheze (spojení). I když je představa rychlé proliferace v našich myslích spjata téměř výhradně s neoplastickým procesem, pravdou zůstává, že rychlost replikace buněk střevní sliznice nebo buněk v inflamatorních ložiskách může přesahovat replikaci mnoha neoplastických buněk až 10 násobně. Navzdory tomu je rychlost růstu neoplazií mnohdy pro majitele (i nás) překvapivá – teoreticky vzato může neoplazie nabýt velikosti jednoho gramu během 30 dní od prvního dělení buňky a během pouhých dalších deseti dnů může nabýt fatálních rozměrů (u člověka se udává jako fatální masa o hmotnosti jednoho kilogramu). In vivo je však tento proces zpomalen postupným odumíráním neoplastických buněk, jejich diferenciací a „výstupem“ z cyklu dělení.
Pro pochopení vzniku neoplazií bude jednodušší vzít tento proces od patogeneze k etiologiím. Mnoho autorů označuje neoplazie za genetické onemocnění, jelikož podstatou jejich vzniku je změna genomu (DNA) hostitelské buňky. Zde je nutné upřesnit, že málokdy jde o onemocnění hereditární (neboli dědičné), i když predispozice ke vzniku neoplazií je popsána i ve veterinární medicíně a její mechanizmus je vysvětlen dále. Ty části genomu, jež jsou svou změnou schopny způsobit vznik neoplazií se označují buď jakoprotoonkogeny, nebo tumor supresorové geny a jsou normální součástí genomu všech organizmů od kvasinky po člověka. Navzdory nelichotivému jménu to jsou části DNA, ze kterých vznikají proteiny odpovědné za regulaci (v širším slova smyslu – viz dále) buněčného dělení. Není proto překvapivé, že při jejich poruše dochází k alteraci růstového cyklu a nekontrolovatelnému dělení buněk.
Aby měla exprese (přepis – vytvoření daného proteinu z DNA) protoonkogenů za následek neoplastickou transformaci buňky, musí dojít k jejich změně na onkogeny a alterované proteiny označované jako onkoproteiny. Druhou variantou je, že daný protoonkogen není změněn, je však častěji stimulován jeho přepis (tj. neustále vzniká protein, který řídí buněčný cyklus, i když normálně by se buňka nedělila). Tedy, i když je viníkem genom, vykonavatelem jsou právě onkoproteiny.
Objev onkogenů byl uskutečněn na základě experimentálních studií, kdy u infekcí zvířat určitým virem (např. retroviry) došlo rychle k rozvoji neoplazie. Předpokládalo se, že tyto viry nesou geny (označené tehdy jako onkogeny), jež transformují normální buňku na neoplastickou. Následné studie tuto teorii potvrdily, avšak překvapivé bylo, že daný gen nebyl virový, nýbrž celulární. Tudíž onkogenní viry získaly konkrétní buněčné geny, jež inkorporovaly do svého genomu. „Zdravé“ celulární protějšky retrovirových onkogenů byly nazvány protoonkogeny. Když jsou tyto protoonkogeny „zmocněny“ viry, jejich aktivity jsou deregulovány mutací nebo nadměrnou expresí, čímž dochází k poruše mechanizmů striktně regulujících proliferaci savčích buněk. Doposud bylo objeveno více než 100 onkogenů a často dostávají třípísmenková jména odvozená od viru, z něhož byly identifikovány, například protoonkogen myc byl izolován z ptačího viru myelocytomatózy, nebo erbA a erbB byli izolovány z viru ptačí erytroblastózy. Virové onkogeny jsou označeny často předponou „v-„, buněčné protoonkogeny „c-„ (cellular).
Onkogeny lze rozdělit do pěti skupin podle místa působení v buňce. Může se jednat o geny kódující růstové faktory(transformované buňky produkují růstové faktory, které autostimulují buňky k růstu a dělení), receptory pro růstové faktory(transformované buňky mají receptory, které stimulují růst/dělení buněk i bez navázaného růstového faktoru),přenašeče signálu uvnitř buňky (transformací mohou neustále přenášet signál k dělení buňky, i když ten nepřišel), jaderné proteiny (myšleno proteiny odpovědné za přepis míst DNA, ze kterých vzniknou další proteiny nezbytné pro buněčný cyklus) nebo tzv.cykliny(proteiny regulující průběh buněčného cyklu).
Jak se ale z protoonkogenu stane onkogen? Možné jsou dvě cesty: alterací genové exprese (tj. nadměrná produkce onkoproteinů) nebo alterací genové struktury (tj. poškození DNA vedoucí ke vzniku poškozených proteinů).
Alterace genové exprese může být daná tím, že je
- a) daný úsek genu ve více místech – amplifikace – neoplastické buňky jsou schopny udržet dokola kopírování (replikace) určitých částí DNA, což vede k jejich namnožení na rozdíl od toho, aby se posunuli a kopírovali další část DNA,
- b) do DNA jsou vloženy tzv. promotory – části DNA, které označují místo, odkud se má DNA přepisovat – pokud se vloží před protoonkogen, může docházet k jeho přepisu, i když „normálně“ by se netvořil,
- c) přemístěním (translokací) genu – část DNA se posune a dostanou se vedle sebe promotor a protoonkogen – s následky jako u b).
Alterace genové struktury znamená, že dojde k mutaci genomu, výsledkem čehož vznikne onkogen nebo dojde k poškození tumor supresorového genu. Tumor supresorové geny jsou geny brzdící buněčný cyklus – umožňují „přestávku“ v buněčném dělení, kdy dochází k reparaci DNA. V případě, že dojde k poruše jejich funkce, buňka není schopna opravit chyby DNA a dochází k replikaci buňky i s chybami, které se tak stanou trvalými.
Pro změnu zdravé buňky na nádorovou je naštěstí nutná více než jedna mutace. Například při studiu karcinomu kolonu u lidí bylo zjištěno, že pro transformaci adenomu (polypu) na karcinom je nutných alespoň 4-5 mutací, zejména tumor supresorových genů. Počet mutací rovněž koreluje s agresivitou tumoru, například u gliomu u lidí má grade II 2-3 mutace, zatímco grade IV 6-8 mutací.
Tyto mutace mohou vzniknout jak v kmenové linii buněk, a tudíž jsou přítomny ve všech somatických buňkách, nebo (jak je tomu častěji) v somatických buňkách následkem stárnutí. Akumulace spontánních mutací je poměrně pomalá, avšak často může být zrychlená jinou událostí (a nyní se dostáváme konečně k etiologii), a to zejména „spontánními“ či dědičnými genetickými událostmi (z angl. events) nebo vnějšími faktory – biologickými, chemickými a fyzikálními.
Spontánní genetické události mohou nastat na molekulární nebo chromozomální úrovni (viz dále). I když je akumulace spontánních jevů častější u starších zvířat, výjimečně může postihnout i zvířata mladá, jako je tomu u kožního histiocytomu u psů, některých typů lymfomu u koček a některých aplastických sarkomů. Na molekulární úrovni se jedná oakumulaci chybných přepisů DNA při replikaci buněk (s věkem klesá schopnost reparačních mechanismů). I když jsou klíčové změny vázané na DNA (tj. chyby v DNA), dodatečně se mohou chyby vyskytnout i v přepisu do mRNA (transkripce) a syntéze proteinů (translace) (tj. dojde ke vzniku onkoproteinu i když je DNA v pořádku). V případě DNA se může jednat o následující chyby: bodové mutace (záměna jedné báze DNA za jinou a následná syntéza jiné aminokyseliny nebo žádné), delece (ztráta několika desítek až stovek bází – vede k alteraci produkce nebo zástavě genu) nebo amplifikace (repetice sekvencí DNA, jež může vést ke zvyšování počtu kopií). Následný proteinový produkt kódovaný DNA může být změněn o aminokyselinu, zkrácený nebo vytvořen v nadbytku nebo nedostatku.
Těchto typů mutací bylo doposud ve veterinární medicíně popsáno několik a pravděpodobně snad nejznámější je mutace tumor supresorového genu p53 (kóduje protein o velikosti 53 kDa), jež hraje roli v karcinogenezi řady tumorů u lidí, u psů (např. osteosarkom, karcinom mléčné žlázy, perianálních žláz, skvamocelulární karcinom nebo lymfom) i u koček (osteosarkom, fibrosarkom, karcinom mléčné žlázy atd.).
Druhou možností spontánních mutací jsou alterace na úrovni chromozomů, kdy ke změně DNA dochází vlivem jejich numerické či strukturální změny. Ztráty nebo zvýšení počtu všech chromozomů alteruje celkové množství DNA v buňce a množství kopií genů přítomných na těchto chromozomech – což může vést ke snížení nebo zvýšení míry exprese daného genu v buňce. Translokace přináší k sobě geny různých chromozomů vedoucí ke vzniku nových fúzních genů a proteinů. Chromozomální změny jsou dobře popsány u řady hematopoetických neoplazií u lidí, u zvířat jsou popsané případy velice sporadické.
U lidí byla popsána řada dědičných neoplazií, jež se obvykle rozvinou z důvodu změn tumor supresorových genů např. „Rb“, jenž způsobuje retinoblastom u dětí, nebo již zmíněný p53. Tumor supresorové geny pracují recesivně, tudíž je pro jejich inhibici nutná inaktivace obou alel. Jedna kopie chybného genu je tedy vrozená a k poškození nebo ztrátě druhé alely dochází během života. Maligní transformace se proto obvykle děje rychleji, než když je pro rozvoj potřeba ztráty obou genů, a proto se dědičné neoplazie objevují u postižených jedinců dříve než obecně spontánně v populaci. U zvířat byli detekovány hereditární geny, např. mutace genu FLCN (pravděpodobně se jedná o tumor supresní gen) u renálního cystadenokarcinomu a nodulární dermatofibrózy německých ovčáků, avšak řada dalších neoplazií, zejména sarkomů, vykazuje plemenné predispozice a rodinná incidence neoplazií byla demonstrována také u maligní histiocytózy bernských salašnických psů a lymfomu u bulmastifů.
Kromě spontánních či vrozených mutací může změnu genomu vyvolat řada biologických, fyzikálních a chemických faktorů. Z biologických faktorů byla od počátku pozornost věnována virům, které jsou schopny buď přímo poškozovat celulární DNA, nebo zvyšovat intenzitu replikace buněk, čímž zkracují čas pro reparační procesy. Tyto neoplastické změny jsou schopny vyvolat DNA i RNA viry. DNA viry se obvykle propagují hostitelem bez indukce karcinogeneze, avšak ojediněle jsou schopny integrovat část nebo celý svůj genom do hostitelského bez nutnosti replikace. K transformaci buňky pak může dojít tak, že se virový gen chová jako onkogen. U psů a koček jsou DNA viry způsobující maligní transformaci ojedinělé, i když jsou popsány kazuistiky transformace papillomaviru v skvamocelulární karcinom u kočky nebo u psů. Mnohem důležitější, zejména u koček, jsou retroviry patřící do skupiny RNA virů. Virus kočičí leukémie (FeLV) způsobuje lymfom a leukémii u infikovaných koček, i když ne všechny leukemické kočky jsou pozitivní na detekci viru. Virus kočičí leukemie je blízký viru kočičího sarkomu (FeSV), jenž je jeho „neúplný příbuzný“. FeSV patří mezi velice potentní viry ve smyslu indukce neoplastických změn. Patří mezi tzv. transdukční retroviry, jež jsou schopny rychle infikovat hostitele a navodit maligní transformaci buněk, jelikož si kódují vlastní onkogeny a někdy i promotory. Tato „superschopnost“ je však kompenzována vlastní nedokonalostí: vznikají z FeLV viru tak, že vyměňují hostitelský onkogen na úkor svého genomu nezbytného pro replikaci a tudíž samy se nejsou schopny replikovat. Jelikož potřebují k replikaci virus FeLV, je každá kočka pozitivní na virus FeSV určitě pozitivní na FeLV. Naproti tomu je FeLV značně pomalejší – sám neobsahuje onkogen, ale vkládá potentní elementy řídící transkripci (LTR) blízko onkogenů do genomu hostitele. Důvodem pomalého rozvoje nemoci je fakt, že virus inzertuje LTR náhodně, a proto musí proběhnout mnoho inzercí, než je protoonkogen změněn na onkogen. Při experimentální infekci byla latentní perioda 1 – 23 měsíců s průměrem 5 měsíců. Z parazitů je nejznámějším etiologickým agens Spirocerca lupi, jenž způsobuje tumory jícnu u psa, kočky, vlka nebo jaguára v Africe a Jižní Americe, kde je tento parazit endemický.
Vajíčka s larvou ve stadiu L3 jsou pozřeny vrubounem posvátným (skarabeus), jenž je pozřen mezihostitelem (kuře, plaz) nebo definitivním hostitelem. Pozřené larvy migrují aortou do jícnu, kde dospívají. Kolem nich dochází k tvorbě zánětlivých nodulů. Tyto léze jsou vysoce vaskularizovány s fibroblastickou proliferací a centrální okrskem obsahujícím vajíčka. Progresí léze množství cév klesá a zvyšuje se počet fibroblastů, jež jsou schopny se transformovat do fibrosarkomu.
Dalším biologickým faktorem je působení hormonů zvyšující replikaci a růst buněk, na které již působí další iniciační jevy. Estrogeny (a méně progesteron) ovlivňují rozvoj karcinomu mléčné žlázy u psů a koček a raná ovariohysterektomie (OHE) se udává jako protektivní. Studie uvádějí, že při OHE před první říjí je postižena 1 kočka ze 100, při kastraci mezi první a druhou říjí je incidence 1:12 a po druhé říji je 1:4.
Stejně tak je anti-estrogenová terapie (tamoxifen) používaná u postmenopauzálních žen pro prevenci rekurence karcinomu prsu, nicméně u zvířat jej nelze použít z důvodu rozdílné metabolizace léčiva.
Estrogeny jsou u psů rovněž odpovědné za vznik benigních vaginálních fibromů a OHE je obvykle nezbytná pro prevenci jejich rekurence. U psů je testosteron odpovědný za vznik perianálních adenomů a kastrace je doporučitelná.
Fyzikální faktory jako spouštěče kancerogeneze zahrnují zejména UV světlo nebo jiné typy radiace. S poklesem ozonové vrstvy (zejména nad Antarktidou) došlo ke zvýšení dopadu UVB světla na zem o více než 8 % oproti roku 1980, což vedlo ke vzniku non-melanomových kožních neoplazií u člověka. UVB a UVA indukují specifické DNA změny v kůži vedoucí k produkci cyklobutanových dimerů a fotoproduktů. Vznikají charakteristické mutace, jako jsou záměny cytosinu za tymin nebo dimerizace tyminů vedoucí k poruše párování bází. Současně UV záření suprimuje imunitní odpověď, čímž usnadňuje rozvoj neoplazií. Dlouhodobá expozice UV světlu vede ke vzniku skvamocelulárního karcinomu i u zvířat, zejména v místech s absencí pigmentace. Dalším potencionálně nebezpečným zářením je RTG záření nebo δ paprsky při radioterapii. Dávka záření z diagnostických RTG je však malá a bezpečná. Na buněčné úrovni působí radiace částic přímo na DNA poškozováním chemických vazeb, zatímco elektromagnetická radiace způsobuje nepřímé poškození DNA produkcí volných radikálů. I když je hlavní efekt na DNA, poškození jiných komponent, jako je RNA nebo proteinů, je rovněž důležité.
Kromě zjevných exogenních příčin může růst neoplazie stimulovat chronický zánět nebochemické či termální popálení jako je prokázáno v případě skvamocelulárního karcinomu a sarkomů, nebo např. opakovaná mikrotraumata metafýz dlouhých kostí způsobující nosné stresy mohou být predisponující k rozvoji osteosarkomu, stejně jako kovové implantáty. Ty mohou způsobovat chronickou zánětlivou odpověď s predispozicí k neoplazii, i když s několikaletou latentní periodou.
V posledních desetiletích se zvyšuje počet fibrosarkomů u koček po vakcinaci vztekliny nebo FeLV vakcíny, zejména v interskapulární oblasti. Histologicky je většina z nich pleomorfních a agresivních s chronickým zánětlivým infiltrátem. Makrofágy často obsahují adjuvans, což naznačuje reakci na přítomnost cizího tělesa. Kromě toho byla recentně potvrzena přítomnost DNA kočičího papilomaviru ve vzorcích z těchto lézí.
Z oblasti chemických látek existuje velké množství karcinogenních substancí. Velké množství látek je však inaktivních před jejich konverzí na aktivní formu, což vede k řadě mezidruhových rozdílů. Stejně tak je řada chemoterapeutik schopna vyvolat vznik jiného typu neoplazie pokud pacient přežije dostatečně dlouhou dobu, tento vztah je zejména znám mezi aplikací cyklofosfamidu a rozvojem neoplazie močového měchýře u psů. Přesná míra vlivu polutantů na rozvoj neoplazií není u domácích zvířat detailně prozkoumána, ačkoliv ve velkých městech se udává častější výskyt skvamocelulárního karcinomu tonzil, jazyka a plic. Inhalace azbestového prachu vede k rozvoji mezoteliomu obvykle ve stejné době jako u majitele zvířete (z důvodu stejného zdroje expozice).
Biologie tumorů
Neoplazie se klasifikují na základě jejich biologického chování na benigní a maligní. Maligníneoplazie jsou lokálně invazivní a destruktivní se schopností metastáz do jiných částí těla a bez radikální terapeutické intervence mohou být příčinou úmrtí hostitele. Benigní tumory rostou více expanzí než infiltrací a nemetastázují. Pokud nezpůsobují život ohrožující kompresi (např. nádory mozku), obvykle nedochází k úmrtí jedince. I když je toto rozdělení užitečné z hlediska popisného, u jednotlivých tumorů se může chování lišit. Kupříkladu karcinom bazálních buněk nebo hemangiopericytom splňují lokální charakteristiku malignity, avšak metastázy jsou vzácné. Jiné tumory, jako např. mastocytom, mohou vykazovat široké spektrum chování, přičemž některé jsou benigní (neboli low grade) a jiné vysoce maligní. Pro predikci chování nádorů jsou důležité morfologické znaky neoplazií (charakteristika buňky a jádra) a stanovení mitotické aktivity.
Schopnost maligních tumorů se rozšiřovat prostřednictvím metastáz je nejzávažnější a život ohrožující vlastnost. Tumory se mohou šířit lymfatickou cestou do lokálních a regionálních mízních uzlin nebo hematogenní cestou, umožňujíce rozvoj sekundárních tumorů kdekoliv v těle. Jelikož jsou tyto cesty propojeny, neoplazie propojení rády využívají pro rozšiřování do celého těla.
Karcinomy a mastocytomy obvykle metastázují lymfatickou cestou, zatímco sarkomy a melanomy využívají hematogenní diseminaci. Někdy jsou lymfatické uzliny dobrým filtrem neoplastických buněk, jako kupříkladu u karcinomu mléčné žlázy u psů, kdy je přechod přes uzliny bez zachycení maligních buněk extrémně vzácný.
Proces metastázování zahrnuje oddělení neoplastických buněk z primárního nádoru, jejich transport do nové lokace, spojení s destičkami a fibrinem pro uchycení v cílové tkáni a extravasaci do okolního parenchymu s následným růstem. To zahrnuje odolnost nádorových buněk vůči cirkulaci a obranným mechanizmům hostitele. Určité teorie předpokládají, že jsou toho schopny jen určité klony buněk nádoru a k jejich diseminaci dochází v rané fázi růstu neoplazie, často před detekcí primární neoplazie. U řady neoplazií je spojitost mezi primární neoplazií a místem metastázy, u malých zvířat jsou nejčastějším místem plíce. Predikce místa metastázy může být cílená, předpokládá se, že některé typy neoplazií se vážou na tkáňově-specifické povrchové znaky endotelií nebo jsou atrahovány chemokiny, případně je místo metastázy výsledkem fyziologické stavby cév a k uchycení dochází v místě jejich nejbližšího zúžení – nádory metastázující přes vena cava caudalis se uchycují v plicích, nádory z gastrointestinálního systému přecházejí přes vena portae do jater. Odtud se šíří do sekundárních mikrovaskulatur, např. kostí.
Metastázy kostí jsou často opomíjené. Při jedné postmortální studii bylo odhaleno, že 17 % psů s viscerálními metastázemi měli již RTG detekovatelné metastázy ve skeletu. Predilekční místa zahrnovala ploché kosti jako žebra, obratle a oblasti metafýz dlouhých kostí.
Dalším negativním působkem maligních tumorů je lokální invazivita patrná zejména u sarkomů měkkých tkání, jenž jsou obvykle špatně ohraničené se schopností prorůstat přes fascie a s vysokou mírou rekurence po chirurgické excizi. Obecně je lokální agresivita dána schopností produkovat jednak substance rozrušující bazální membránu a extracelulární matrix a jednak proteiny mající roli v pohybu a migraci tumorózních buněk. Výraznou lokální agresivitou se vyznačují nazální tumory (převážně karcinomy a sarkomy (pes), případně lymfom (kočka)) s destrukcí okolních měkkých i tvrdých tkání, jenž bývá nejčastější příčinou úmrtí u těchto pacientů.
Reference:
- Balducci L. Molecular biology of cancer and aging. In: Villalobos A, Kaplan L. Canine and feline geriatric oncology: honoring the human-animal bond. 1st Ed, Iowa, Iowa State Press 2007, pp. 3-22. ISBN 978-0-8138-0266-4.
- Bonsdorff TB, Jansen JH, Lingaas F. Second hits in the FLCN gene in a hereditary renal cancer syndrome in dogs. Mamm Genome 2008, 19:121-126.
- Cullen JM, Page R, Misdrop W. An overview of cancer pathogenesis, diagnosis and management. In: Meuten DJ. Tumors in domestic animals. 4th Ed, Iowa, Iowa State Press 2002, pp. 3-44. ISBN 0-8138-2652-7.
- Ettinger SN. Principles of treatment for soft-tissue sarcomas in the dog. Clin Tech Small Anim Pract 2003, 18:118-122.
- Martin TA, Ye L, Sanders AJ, Lane J, Jiang WG. Cancer invasion and metastasis: molecular and cellular perspective. Madam Curie Bioscience Database 2013, online http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK164700/
- Morris J, Dobson J. Pathogenesis and tumor biology. In: Morris J, Dobson J. Small animal oncology. 1st Ed, Iowa, Iowa State Press 2008, pp. 4-14. ISBN 978-0-632-05282-0.
- Morris J, Dobson J. Head and neck. In: Morris J, Dobson J. Small animal oncology. 1st Ed, Iowa, Iowa State Press 2008, pp. 94-124. ISBN 978-0-632-05282-0.
MVDr Ivana Uhríková PhD