1

ADINA CROITORUINSTITUTUL CLINIC FUNDENI

Carcinogeneza

2

Carcinogeneza

• procesul multistadial prin care o celulă normală dobândeşte proprietăţi ce permit dezvoltarea fenotipului malign, ca rezultat al interacţiunilor multiple între factori exogeni şi endogeni (genetici, hormonali, imunologici, metabolici).

• cascada de evenimente ce conduc la transformarea unei celule normale, adesea clonogenă (stem), în malignă.

3

Carcinogen

• agent a cărui administrare la animalele de experienţă determină o incidenţă semnificativ crescută statistic a neoplaziilor, de unul sau mai multe tipuri histologice, faţă de animalele neexpuse

4

Carcinogeneza fizică

• implicată în etiologia a 5% din cancerele umane.

• carcinogeni fizici – radiaţiile (ionizante, ultraviolete şi altele,

componente ale mediului înconjurător) – azbestul

5

I.Radiaţiile ionizante

• electromagnetice: radiaţiile X şi γ• corpusculare încărcate electric: protoni, particule

alfa (α) şi beta (β)– Radiaţiile β sunt electroni cu viteză mare, comparabilă cu

a radiaţiei electromagnetice.• corpusculare cu masă de repaus şi sarcină electrică

nulă: neutroni– Prin interacţiunea cu nucleii atomilor cărora le cedează

energia, aceste radiaţii produc protoni de recul, particule alfa şi fragmente nucleare grele ce vor ioniza materia

6

Mecanisme de apărare

• repararea leziunilor ADN, cel mai bine cunoscut fiind excizia nucleotidelor lezate (Nucleotide Excision Repair, NER).

7

Absorbţia energiei radiaţiilor ionizante în materie

• efect fotoelectric • efect Compton • generarea de perechi de baze

8

Leziuni ADN• Electronii rezultaţi pot provoca leziuni ale ADN printr-o

interacţiune – directă şi/sau – indirectă (producţia aberantă a radicalilor de O2, prin hidroliza

apei)• sunt rupturi simple sau duble ale catenelor (simple/

double strand break, SSB/ DSB)• Rupturile situate faţă în faţă sau cele separate de numai

câteva baze perechi nu sunt reparabile, astfel încât DSB devin cauza principală a efectelor biologice ale radiaţiilor.

9

Leziunile directe ale ADN

deleţia primară,

translocaţia, inversiunea secvenţelor ADN, rupturi

cromozomiale cu defecte de

reparare amplificarea secvenţelor

de ADN (mecanisme de activare a oncogenelor)

gene de control

al sintezei

sau reparării

ADN,instabilitate

genică,

creşterea probabilităţii

erorilor în replicarea

ADN în cursul

ciclurilor subsecvente

GST

modificări în expresia

oncogenelor sau activarea genelor

supresoare tumoral.

Evenimentele finale sunt activarea

protoncogenelor şi/sau

inactivarea GST

10

Cancerele induse de radiaţii ionizante

• perioadă de latenţă între iradiere şi momentul apariţiei malignităţii;– pentru tumorile solide, aceasta este mai lungă

(până la 40 de ani postiradiere), – leucemiile prezintă cele mai scurte intervale de

latenţă.

11

B.Radiaţiile ultraviolete

• relaţie puternică de cauzalitate între expune rea la RUV (în special de tip B) şi incidenţa crescută a epitelioamelor cutanate, – pentru carcinoamele bazocelulare

(incidenţă de 5-6 ori mai crescută comparativ cu cele spinocelulare)

• # de radiaţiile ionizante, cea indusă de RUV necesită expuneri multiple

12

Efectele cancerigene ale RUV

– lungimea de undă (risc maxim pentru λ=190-320nm),

– doza administrată, – durata şi intensitatea expunerii– factori genetici: grosimea tegumentelor,

pigmentarea cutanată care filtrează radiaţiile.

– RUV nu au energie suficientă pentru a produce ionizarea ţesuturilor.

13

Mecanism

• direct, prin procesele de fotoreacţie, sub forma dimerizării pirimidinelor (tip CC-TT);

• mutaţii la nivelul genei p53, • efect imunosupresor al RUV prin

distrugerea celulelor Langerhans (celule prezentatoare de antigen [APC] din stratul dermic profund)

14

C.Alte forme de radiaţie

• Radiaţiile infraroşii (RIR) – cancere cutanate prin hipertermie cronică

(Khangri cancer) în Kaşmir, apărut în zona de eritem produs prin aplicarea unui vas cu cărbuni pentru încălzirea corpului.

• Câmpurile electromagnetice de joasă frecvenţă – leucemii la persoanele expuse profesional

15

D. Expunerea la fibre minerale. Rolul azbestului

• mezoteliomul malign • cancer bronho-pulmonar• grup complex de fibre minerale, fiecare cu

structură unică, compoziţie şi reactivitate chimică diferite.

• Mult folosit in constructii, izolare, manufacturare• chrisotil (serpentinate, lungi) • amfiboli (scurte, drepte)

16

17

Mecanisme de carcinogeneza• leziuni ale ADN (inclusiv mutaţii tip

DSB deleţii ale crs. 1p, 3p, 6q, 9q, 13q, 15 şi 22q),

• perturbă mitoza şi segregarea cromozomilor (ex. pierderea unei cópii a crs. 22), determinând aneuploidie.

18

II.Carcinogeneza biologică

• factori infecţioşi – în marea lor majoritate virusuri, dar şi bacterii sau

paraziţi) reprezintă • 28% dintre cazurile înregistrate în ţările puţin

dezvoltate, dar mai puţin de 8% în cele dezvoltate

19

Agent infecţios Cancere cert induse (dovezi suficiente)

Alte cancere (dovezi incerte) Mecanisme / evenimente

Virus Epstein-Barr (EBV) Carcinom nazofaringian;Limfom Burkitt, LMNH, BH, limfom nazofaringian cu celule T/NK.

Carcinom gastric, carcinom limfom-like

Proliferare celulară, inhibiţia apoptozei, instabilitate genomică, migrare celulară

Virusul hepatitei B (HBV)

CHC Colangiocarcinom;LMNH

Inflamaţie, ciroză hepatică, hepatită cronică

Virus hepatitei C (HCV) CHC;LMNH

Colangiocarcinom Inflamaţie, ciroză hepatică, fibroză hepatică

Virusul herpetic al sarcomului Kaposi (KSHV)

SKLMNH

Boala Castelman multicentrică Proliferare celulară, inhibiţia apoptozei, instabilitate genomică, migrare celulară

Virusul imunodeficienţei umane tip 1 (HIV1)

SK, carcinom cervical, de anus, de conjunctivă;LMNH, BH

Carcinoame de vulvă, vagin, penis, cancere cutanate non-melanice, CHC

Imunosupresie (acţiune indirectă)

Virusul uman papiloma tip 16 (HPV16)

Carcinoame de col uterin, vulvă, vagin, penis, anus, cavitate orală

Carcinom de laringe Imortalizare, inhibiţia apoptozei şi a răspunsului la lezarea ADN, instabilitate genomică

Virusul uman limfotropic pentru celulele T (HTLV1)

Leucemia şi limfoame cu celule T Imortalizare şi transformare a celulelor T

Helicobacter pylori Carcinom gastric;Limfom gastric tip MALT (mucosa-associated lymphoid tissue)

Inflamaţie, stres oxidativ, turn-over celular accelerat, hiperexpresie genică, metilare, mutaţii

Clonorchis sinensis Opistorchis viverinii

Colangiocarcinom Inflamaţie, stres oxidativ, proliferare celulară

Schistosoma haematobium Carcinom de vezică urinară Inflamaţie, stres oxidativ,

20

Virusurile oncogene

• trăsături comune precum prezenţa în structura lor a unui acid nucleic (ADN sau ARN), producerea unor infecţii permanente în formă latentă clinic, capacitatea de a imortaliza celulele-gazdă prin integrarea în genomul acestora.

• două mari categorii: – virusuri ADN (sau oncodnavirusuri) – virusuri ARN (numite iniţial oncornavirusuri, iar actual

retrovirusuri oncogene)

21

A.Virusuri ADN oncogenice

• Papiloma virusuri umane• 35 tulpini de virus papiloma cu tropism genital• subtipurile HPV mucosotropic genus alfa de

„risc crescut” – 16, 18, 31, 33, 45 (şi mai puţin constant HPV-35, 39, 51, 52, 53, 56, 58, 66, 68, 73, 82)– se asociază cu neoplazia intraepitelială (CIN) sau

carcinomul scuamos invaziv de col uterin

22

Papiloma virusuri umane

• riscul de malignitate este maxim pentru subtipurile HPV-16 şi 18, identificate în proporţii variind între 5% (persoane sănătoase) şi 68% până la 83% (paciente cu cancere epidermoide, respectiv adenocarcinoame cervicale invazive).

• Majoritatea infecţiilor HPV rămân asimptomatice şi sunt eliminate din tractusul genital în 1-2 ani.

23

Virusul Epstein-Barr

• Limfomul african Burkitt• Limfoame cu LB ale pacientilor imunosupresati• Cateva cazuri de BH• Carcinoame nazofaringiene

24

Mecanisme

• Induce proliferarea şi imortalizarea limfocitelor B, care îşi pierd capacitatea de diferenţiere terminală,

• stare de imunodeficienţă ce este în relaţie cu transformarea malignă şi progresia tumorală.

• alterare cromosomială constantă, care implică genele imunoglobulinelor localizate pe crs. 14; acestea sunt translocate la nivelul secvenţelor adiacente sau în interiorul locusului c-myc de pe crs. 8.

25

Virusurile hepatitice B şi C

• VHB>300 de milioane • VHC>170 de milioane de persoane infectate

pretutindeni în lume, mai ales în Asia şi Africa• Genomul HBV poate fi identificat în majoritatea

CHC la pacienţii din zonele geografice endemice (Taiwan, Senegal, Africa de Sud, Hong Kong, China şi Filipine); geografic, ratele crescute de purtători HBV (Ag HBs) coincid cu incidenţa crescută a CHC.

• CHC survine obişnuit după decade de la infecţia cronică hepatică cu HBV care induce leziuni hepatice urmate de regenerare

26

Mecanisme pt HBV

• Direct – integrarea genomului HBV în ADN celular – expresia unei gene a HBV, numită gena X, ce

codifică o proteină mică cu rol reglator implicată în transducerea semnalului şi activarea transcripţiei

• Indirect este în relaţie cu imunopatogeneza infecţiei cronice cu HBV

27

B.Virusuri ARN (retrovirusuri) oncogenice

• trei familii: Oncoviridae (HTLV-1 şi 2), Lentiviridae şi Spumaviridae.

• directe, în cazul virusurilor acut transformante – clasa I (ex. virusul sarcomului aviar Rous) – care posedă oncogene proprii (v-onc) al căror transfer (transducţie) produce rapid cancerizarea celulei infectate

28

Mecanisme

• indirecte (cis), la virusurile lent transformante, cu perioadă de latenţă mare (ani) – clasa a II-a (ex. HIV, HTLV) – care se inseră aproape de o protooncogenă celulară pe care o activează=mutageneză inserţională (promotor/enhancer insertion)

• de transactivare, pt infecţia celulelor T cu Human T-cell Leukemia Virus (HTLV-1, 2)

29

Retrovirusuri cu acţiune carcinogenă certă la om

• HTLV-1, identificat în limfocitele T (LyT) CD4+ stimulate cu interleukină-2 (IL-2) şi la pacienţii cu leucemii şi limfoame T ale adultului. – se transmite vertical şi orizontal prin alăptare, transfuzii de sânge şi

contact sexual. – Leucemia acută cu celule T a adultului (ATL) este endemică în sudul

Japoniei, insulele Fuji şi Caraibe, unde infecţia interesează 5-10% din populaţie, însă numai 25-30% din indivizii infectaţi fac leucemie, perioada de latenţă fiind de 10-40 de ani de la infecţia primară.

• HTLV-2, ce infectează la om LT (preferenţial CD8+) şi LB. Se presupune a fi implicat în etiologia leucemiei cu celule păroase (hairy cell leukemia).

30

• HIV retrovirus lent transformant (lentivirus) care infectează LT CD4+,

• Determină neoplazii (sarcom Kaposi sau limfoame maligne non-Hodgkin) prin efectele imunosupresive ale bolii SIDA

31

III Carcinogeneza chimică

• Carcinogenii descoperiţi până în prezent au o mare varietate de structuri chimice, fără similitudini aparente.

• trebuie iniţial descompuşi chimic pentru ca, ulterior, metaboliţii lor activi să reacţioneze cu ADN, ARN, proteinele celulare.

• xenobiotice (substanţe chimice nealimentare provenite din mediul extern, inclusiv carcinogenii chimici) sunt puţin solubile în apă şi nu pot fi eliminate renal ca atare

32

Metabolizarea xenobioticelor comportă în general 2 etape:

• I.Etapa de activare (oxidare). Prin intermediul citocromilor P450 (CYP450) au loc o serie de reacţii chimice numite „de fază 1” în cursul cărora iau naştere produşi activi intermediari (ex. epoxizii) ce vor realiza legături covalente cu ADN celular

33

Metabolizarea xenobioticelor comportă în general 2 etape:

• II.Etapa de metabolizare (conjugare). Compuşii rezultaţi din transformarea substanţelor oxidate anterior în derivaţi glucuronid şi sulfat, sau din conjugarea cu acid mercaptopuric, sunt apoi rapid eliminaţi.

• Nivelul tisular al enzimelor implicate este controlat prin mecanisme genetice, distribuţia cancerelor la nivelul diferitelor organe reflectând atât aceste nivele, cât şi ce al expunerii la carcinogenii chimici.

34

Fumatul• model de carcinogeneză chimică (dar şi fizică). • Epidemiologii atribuie mai mult de 25-40% din

totalitatea deceselor prin cancer fumatului, şi în principal fumatului de ţigarete.

• neoplasmul bronho-pulmonar (NBP), dar şi cu alte tipuri de cancer (de cavitate bucală, faringe, laringe, esofag, vezică urinară)

• >3000 de substanţe chimice au fost identificate în fumul de ţigară, – dintre care cel puţin 30 sunt cunoscute ca şi carcinogene pe

animale, – mai mult de 20 fiind foarte puternic asociate cu dezvoltarea

NBP.

35

– nitrozaminele tabaco-specifice ([4-metil-nitrozamino]-1-[3-piridil]-1-butanonă) şi HAP determină mutaţii prin formarea de legături covalente (adducţi) cu ADN, prin intermediul a 2 sisteme enzimatice: CYP450 şi glutation-S-transferaza (GST).

– Enzimele CYP450 activează sau sintetizează carcinogeni, în timp ce GST detoxifică carcinogenii intermediari care protejează împotriva formării de adducţi. În mod normal, aceşti adducţi sunt reparaţi, sau dacă mutaţiile ADN sunt severe determină declanşarea apoptozei

36

Fumatul si cancerul

37

Fumatul• Expunerea cronică la componentele fumului de ţigară

induce mutaţii critice la nivelul p53 sau RAS, ce conduc la iniţierea sau promoţia bolii neoplazice.

• Fumul de ţigară induce leziuni oxidative şi polimorfism al 8-oxoguanin-ADN-N-glicozilazei-1 (OGG1); reducerea activităţii enzimatice a OGG1 este asociată cu creşterea riscului de NBP.

• Deşi se acceptă că fumul de ţigară determină NBP, nu toţi fumătorii dezvoltă această neoplazie.

• fumătorii prezintă un risc de 14 ori mai crescut faţă de nefumători, dar numai circa 11% din marii fumători vor dezvolta NBP în decursul vieţii.

38

Agenţii alchilanţi

• substanţe citostatice citotoxice cum ar fi azot muştarul (mecloretamina) sau nitrozureea, care eliberează în mediul solubil un radical alchil, electrofil per se, şi ca atare capabil de a reacţiona covalent cu ADN fără a necesita metabolizare intracelulară

39

3 etape distincte

• Iniţierea (stadiul I) consecutiv administrării directe a carcinogenului chimic), este procesul rapid, ireversibil, prin care se produc modificări „discrete” dar permanente ale ADN celular, sau alterarea ireversibilă a structurii genetice a unei celule, rezultând o celulă cu potenţial evolutiv spre o clonă malignă.

• trei funcţii celulare sunt importante pentru iniţiere: metabolizarea carcinogenului, repararea ADN şi proliferarea celulară.

40

Initierea• Agenţii iniţiatori nu pot determina de unii singuri

malignizarea, însă unii pot juca şi rol de promotor, fiind consideraţi carcinogeni „compleţi” (ex. fumul de ţigară)

• Deşi procesul este ireversibil, nu toate celulele iniţiate vor evolua spre formarea unei neoplazii, şi multe vor intra în apoptoză.

• O celulă iniţiată nu este o celulă tumorală deoarece nu a dobândit, încă, autonomie în ceea ce priveşte creşterea.

• Alterarea ADN poate rămâne în stare dormantă toată viaţa, dacă nu va fi promovată de evenimentele ulterioare

41

Promoţia (stadiul II)

• procesul prin care o celulă deja iniţiată dobândeşte capacitatea de diviziune selectivă şi de expansiune clonală, prin dereglarea creşterii şi diferenţierii,

• procesul prin care este stimulată apariţia de celule tumorale în ţesuturile ce au fost expuse în prealabil la un agent iniţiator.

• promoţia implică o serie de modificări celulare şi tisulare ce au loc în cursul perioadei de latenţă tumorală şi care au ca rezultat apariţia unei celule autonome.

42

Promotorii celulari:

• nu sunt mutageni şi nu sunt per se carcinogeni (determină geneza tumorală şi reducerea perioadei de latenţă a acesteia, dar numai după expunerea celulei la un agent iniţiator)

• cresc numărul tumorilor (benigne, premaligne sau maligne) formate

43

Progresia (stadiul III)

• procesul în decursul căruia celulele iniţiate şi promovate achiziţionează proprietăţile fenotipului malign (invazivitate locală, angiogeneză, metastazare, responsivitate hormonală şi la citostatice etc.), apar secvenţial subpopulaţii celulare care exprimă în grade diferite aceste trăsături şi începe expansiunea clonelor maligne agresive

44

45

Eva Szabo & Gail L. Shaw

http://www.moffitt.usf.edu/pubs/ccj/v4n2/article1.html

46

http://www2.scitech.sussex.ac.uk/undergrad/coursenotes/ehh/lec4/4.html

47

http://www.belleonline.com/n2v91.html

Epigenetic Mechanisms of Chemical Carcinogenesis

James E. Klaunig, Lisa M. Kamendulis, and Yong Xu Division of Toxicology, Department of Pharmacology and Toxicology,

Indiana University School of Medicine

48

Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000; 100(1):57–70. 49

50

Cancerul – boală cu mecanisme genetice şi epigenetice

• proces multistadial caracterizat de acumularea unui număr de alterări genetice (mutaţii - modificări în secvenţa codului ADN, deleţii - pierderea unei secţiuni a ADN, amplificări - cópii multiple ale aceleiaşi secvenţe de ADN), dar şi epigenetice (modificări în statusul de metilare a ADN, rezultând în activarea sau supresia unor gene)

51

NB

• Leziunile genetice (mutaţii) non-letale reprezintă nucleul carcinogenezei –dobândite după expunerea la acţiunea

factorilor de mediu–moştenite pe linie germinală

52

NB• Tumora poate lua naştere prin expansiunea clonală a unei

singure celule precursoare care prezintă leziuni genetice incurabile (monoclonalitate).

• Celulele stem normale – Nediferenţiate – prezintă capacitate de autoreînnoire, producând în acelaşi timp

progenitori diferenţiaţi. – Continuă să prolifereze perioade lungi de timp şi pot reprezenta

punctul de plecare a procesului de carcinogeneză pentru unele cancere, dacă atât celula malignă cât şi cea stem utilizează acelaşi program molecular de autoreînnoire.

– Se presupune că celulele stem ale unui organ ar putea fi implicate în dirijarea procesului de carcinogeneză în organul respectiv.

53

INVAZIA LOCALĂ ŞI METASTAZAREA