Kanserin altında yatan nedenlerin araştırılması
Kanser, son derece kompleks hastalıklardan oluşan bir grup olmasına karşın, kanser hücreleri tümör tiplerinde büyümelerine ve uzak organlara metastaz yapmalarına olanak sağlayan bir dizi farklı özellik göstermektedir.1
Birlikte değerlendirildiğinde, bu ayırıcı özellikler içinde premalign bir hücrenin çok basamaklı bir süreçte letal metastatik benzerine dönüşümüne ilişkin bilgileri barındıran geniş kapsamlı bir mekanizma çerçevesi sağlamaktadır.1
İnvazyon ve metastazın aktivasyonu
Doku invazyonu ve metastaz, tümör hücrelerinin primer bölgeden ayrılarak uzak organlara yayılma yönteminin ayrılmaz bileşenleridir. Doku invazyonu ve metastaz prosesi tam olarak anlaşılmamış olmasına karşın, genel olarak hücrelerin diğer hücrelere ve ekstrasellüler matrikse bağlanma şeklindeki değişiklikleri içerir.1
Bu prosesin aşağıdakileri içeren birkaç basamağı vardır1
- Lokal doku invazyonu
- İntravazasyon
- Kan ve lenfatik sistem yoluyla geçiş
- Yabancı doku kolonizasyonu
Tümör hücreleriyle neoplastik stroma arasındaki moleküler iletişim köprüsü, metastazların hücre için otonom bir modelden kaynaklanmadığını, çevre dokudan bilgi girişi gerektirdiğini gösterir.1
- Bunun bir örneği, tümör hücrelerine epidermal büyüme faktörü (EGF) ve koloni stimülan faktör 1 (CSF-1) sağlayan ve intravazasyona yardımcı olan tümörle bağlantılı makrofajların katılımıdır
Metastatik büyümenin karmaşıklığına ilişkin moleküler kanser araştırmalarının sonuçları da, farklı malignitelerde farklı özellikler ortaya çıktığını göstermektedir:1,2
- Metastatik hastalıklar ve metastatik olmayan hastalıklarda farklı invazyon modelleri görülür. Bunun nedenlerinin açıklanmasında yaşanan güçlük devam etmesine karşın farklı hücre biyolojisi programlarından kaynaklanması mümkündür
- Kemik disseminasyonunda rol oynayan tümör nekroz faktörü α (TNF-α) gibi genetik yolaklar tümörün tercih edilen organ hedeflerine metastazını kolaylaştırabilir
Şekil 1. İnvazyon ve metastazın aktivasyonu3
Tümör hücresi göçü kısmen CSF-1, EGF ve bunların karsinoma hücrelerinde farklı şekilde eksprese edilen ilgili reseptörlerini ve tümör mikroçevresinde bulunan makrofajları içeren parakrin döngü yoluyla teşvik edilir.3
Replikatif ölümsüzlük kazanma
Normal hücrelerin sınırlı bir replikatif yeteneği vardır. İntrensek hücresel mekanizma, normal hücrelerin sınırlı bir sayıda bölünmesine izin verir ve belirli bir sınırı aşan hücre bölünmesini bloke eder.1
Kanser hücreleri, telomerin (kromozom uçlarını korur ve hücrenin proliferasyona devam etmesine olanak tanır) uzunluğunu sürdürmesini sağlayan telomeraz enziminin aşırı ekspresyonu yoluyla bu sınırlılığı ortadan kaldırır. Bu prosese kısmen p53 gibi tümör baskılayıcı genler de yardımcı olur.1
Son yıllarda moleküler kanser araştırmalarında telomerazın, telomer sürekliliğinden bağımsız olan ve tümör büyümesine yardımcı olabilen ek fonksiyonları ortaya çıkmıştır:1
- Hücre proliferasyonunda ve/veya apoptoza karşı direncinde artış
- DNA hasarının onarımı
- RNA’ya bağımlı RNA polimeraz fonksiyonu
- Kromatinle bağlantı
Şekil 2. Replikatif ölümsüzlük kazanma1,4
Telomer boyunun kısalması normal hücrelerde replikatif yaşlanmayı aktive eder; ancak tümör hücreleri, telomer uzunluğunu koruyan telomeraz enziminin aşırı ekspresyonu yoluyla replikatif yetenekteki sınırlılığı ortadan kaldırır.1,4
Büyüme baskılayıcılardan kaçış
Normal hücrelerdeki hücre proliferasyonu, pro- ve anti-proliferasyon sinyallerinin hücre döngüsü düzeyinde koordine edildiği sıkı şekilde kontrol edilen bir prosestir. Özellikle hücre döngüsünün G1 fazı, büyüme karşıtı sinyallerin hücre proliferasyonunu bloke etme etkilerini gösterdiği çok önemli bir kontrol noktasıdır.5
Normal hücrelerde büyüme karşıtı sinyaller birkaç şekilde proliferasyonu bloke edebilir:5,6
- G0 fazının tetiklenmesi
- Çoğunlukla terminal hücre farklılaşmasını içeren bir post-mitotik durumun tetiklenmesi
Ancak kanser hücrelerinin çoğu proliferasyonu sürdürmek için normal büyüme baskılayıcılardan kaçar.1
Kanser hücrelerinde regülasyonu en sık olarak bozulan 2 tümör baskılayıcı, retinoblastoma proteini (Rb) ve p53’tür. Normal dokuda bu proteinler hücre döngüsünü kontrol eden büyük bir ağın parçasıdır.1,5
- Rb, hücre döngüsünün G1 fazındaki sınırlama noktası yoluyla hücre geçişini inhibe eder
- Mutasyona uğramış Rb içeren kanser hücrelerinde geçiş denetçisi uzaklaştırılır ve hücre proliferasyonunun devam etmesi sağlanır.
- p53, DNA hasarının bulunduğu hücrelerde hücre döngüsünü durdurması nedeniyle önemli bir apoptoz düzenleyicisi olarak işlev görür
- p53’ün yok olması, DNA hasarı ve hücresel streslerin varlığına karşın hücre döngüsünün ilerlemesini sağlar
Şekil 3. Büyüme baskılayıcılardan kaçış7
Rb ve p53, tümör hücrelerinde inaktive edilen 2 yaygın tümör baskılayıcıdır ve bunların inaktivasyonu kontrolsüz büyüme ve proliferasyona yol açar.7
İmmün yıkımdan kaçış
İmmün gözetim, insan vücudunda tümör oluşumunu proaktif olarak önleyen temel hücresel prosestir. Klinik öncesi araştırmalarda, aktif immün sistemin kendilerine bir yer edinmeden ve bir tümör kitlesi oluşturmadan önce kanser hücrelerinin büyük çoğunluğunu sürekli olarak tanıdığı ve elimine ettiği gösterilmiştir.1,8
Ancak yeni belirlenen bir referans özellik olan kanser immün şekillendirmesi eliminasyon, denge ve kaçış olmak üzere 3 anahtar faz içerir.9
- Eliminasyon fazı olarak tanımlanan proseste sıklıkla immün sistem, kanser hücrelerini başarılı bir şekilde tanır ve elimine eder
- İmmün sistem tarafından elimine edilmeyen tümör hücreleri, immün sistemin kanser hücresi büyümesini kontrol altında tuttuğu; ancak dönüşüm geçiren hücreleri tamamen elimine etmediği denge fazına ilerler
- İmmün yıkıma duyarlı olmayan tümör hücreleri kaçış fazına geçer. Bu fazda “kaçan” tümör klonları – immün sistem tarafından etkili bir biçimde saptanarak ortadan kaldırılmayan – bölünmeye ve büyümeye devam eder.
İmmün yanıtın arttığı kolorektal kanser ve over kanseri hastalarındaki prognozun, immün yanıtın azaldığı hastalara kıyasla daha iyi olduğu gösterilmiş olan klinik örnekler de bu bulguyu desteklemektedir.1
Şekil 4. İmmün yıkımdan kaçış10,11
Yeni belirlenen bir referans özellik olan kanser immün şekillendirmesi eliminasyon, denge ve kaçış olmak üzere 3 anahtar fazdan oluşur. Bu fazları başarılı bir şekilde geçen kanser hücreleri immün yıkımdan kurtulma yeteneği kazanır.10
Genom instabilitesi ve mutasyon
Kanser hücrelerinin genomlarındaki çok sayıda değişiklik, pek çok onkogenik proses için temel olarak işlev görür. Mutasyon oranlarının artması, tümörigenezi teşvik etmek için gereken birkaç mutasyonun birikmesi açısından kanser hücrelerine avantaj sağlar. Bu, aşağıdakiler aracılığıyla gerçekleşir1,12
- Mutajenik ajanlara karşı duyarlılığın artması
- Bir veya daha fazla hücrenin p53 ya da meme kanseri tip 1 duyarlılık proteini (BRCA1) gibi genlerin aracılık ettiği DNA onarım mekanizmalarının bozulması
- Bu faktörlerin kombinasyonu
Söz konusu mutasyonların birikimi, DNA bakım mekanizmasının ya da “bakıcı” genlerin değişikliğe uğraması yoluyla hızlanır. Bu genler aşağıdakilerden sorumludur1
- DNA hasarının saptanması ve onarım mekanizmasının aktive edilmesi
- Doğrudan hasar görmüş DNA’nın onarımı
- Mutajenik moleküllerin inaktive edilmesi ya da engellenmesi
Bakıcı genlerin inaktive edilmesi ya da baskılanması yoluyla, tümör hücreleri mutasyonların oranını ve ardından tümörigenezi arttırabilir.1
Kanser hücresi genomlarının analizleri de, fonksiyon değiştiren mutasyonları ortaya çıkarmakta ve tümör progresyonu sırasında genom instabilitesinin arttığını göstermektedir.1
Şekil 5. Genom instabilitesi ve mutasyon12
DNA onarım yolaklarındaki mutasyonlar, genomik instabilitenin artması açısından kanser hücrelerine avantaj sağlar. Yukarıdaki çizimde, defektif BRCA sinyal iletim yolağından kaynaklanan bu tür bir mekanizma gösterilmektedir.12
Anjiyogenezin tetiklenmesi
Tümör hücrelerinde anjiyogenez prosesi ya da yeni kan damarlarının oluşumu, devam eden tümör büyümesi ve metastaz için kritik önem taşır. Tümör anjiyogenezi çok basamaklı bir prosestir ve birkaç pro-anjiyogenik büyüme faktöründen gelen sinyal girdisini içerir.13,14 Bir tümörün vasküler endotelyal büyüme faktörü (VEGF) gibi pro-anjiyogenik faktörleri aşırı derecede eksprese etmeye başladığı an, genellikle “anjiyogenik anahtar” olarak tanımlanır.1
Kesintiye uğramadan devam eden anjiyogenez, aşağıdakiler yoluyla tümörün genişlemesini ve lokal invazyonu sağlar:13
- Oksijen ve besin maddelerinin ulaştırılması
- Tümör hücrelerine yarar sağlayan büyüme faktörlerinin üretimi
Moleküler kanser araştırmalarının bulguları da, metastazların sonuçta yeni tümör vaskülatürü yoluyla sistemik dolaşıma çıkabildiğini göstermektedir.13
İki ek bileşen tümör neovaskülatüründe rol oynar:1
- Perisitler normal doku vaskülatürüyle bağlantılı olan destekleyici hücrelerdir; ancak yakın tarihli araştırmaların bulguları, perisit kapsamının tümör anjiyogenezi için de önemli olduğunu göstermektedir
- Moleküler kanser araştırmalarının verileri de, makrofajlar ve nötrofiller gibi kemik iliği kökenli hücrelerin lezyonlara toplandığını ve anjiyogenik anahtarın başlamasına yardımcı olabildiğini göstermektedir
Şekil 6. Anjiyogenezin tetiklenmesi13,14
Tümör anjiyogenezi, tümör mikroçevresinde bulunan çeşitli hücre tiplerinden gelen çok sayıda sinyalin toplamından oluşan bir fonksiyondur.13,14
Enerji metabolizmasının yeniden programlanması
Enerji metabolizmasının yeniden programlanması, kanser hücrelerinde ortaya çıkan ayırıcı bir özellik olarak tanımlanmıştır.1
Kanser hücreleri kontrolsüz proliferasyonu sürdürmek için aşağıdaki yolları kullanarak enerji üretiminde ayarlamalar yapar:1
- Glukoz metabolizmasının yeniden programlanması
- Glukoz transporter 1 (GLUT1) gibi glukoz transporterlerin artması
- Alternatif metabolik yolaklara bağlanma
Enerji üretiminin glikoliz fazıyla sınırlandırılması, üretilen adenozin trifosfat (ATP) miktarını azaltmasına karşın kanser hücrelerinin, yeni hücreleri bir araya getirmek için gerekli olanlar da dahil olmak üzere glikolik ara ürünleri çeşitli yolaklara yönlendirmesine de olanak sağlar.1
Moleküler kanser araştırmalarının bulguları da, glioblastoma koşullarında, enzimlerde çeşitli aktive edici mutasyonların saptandığını ve bunun da, tümör hücresi enerjisinin değiştirilmesi için avantaj sağladığını göstermektedir.15
Buna ek olarak günümüzde enerji metabolizmasının yeniden programlanması, glukoz alımının artışıyla tümör görüntüsü alınmasına yardımcı olan [18F]fluorodeoksiglukoz pozitron emisyon tomografisi (FDG-PET) teknolojisinin kullanımı yoluyla klinik koşullarında yaygın olarak uygulanmaktadır.16
Şekil 7. Enerji metabolizmasının yeniden programlanması17
Kanser hücreleri, oksijen varlığından bağımsız olarak mevcut glukozu laktata dönüştürür (Warburg etkisi) ve böylece glukoz metabolitlerini, hücre proliferasyonunu hızlandıran yararlı anabolik proseslere yönlendirir.17
Hücre ölümünden kaçış
Normal hücreler, diğer hücresel streslerin yanı sıra DNA hasarına yanıt olarak apoptozu başlatabilir. Bunun aksine, kanser hücreleri genellikle benzer stres faktörlerine karşı daha düşüktür bir duyarlılığa sahiptir ve apoptozdan kaçma eğilimi gösterir.18
Apoptoz 2 yolak aracılığıyla gerçekleşir: intrasellüler streslerle bağlayan intrensek ya da mitokondriyal yolak ve hücre yüzeyi reseptörlerinin spesifik ligandlara bağlanmasıyla başlayan ekstrensek, ölüm reseptörü yolağı.18
Kanser hücrelerinin karşılaştığı pek çok hücresel stres faktörünün intrensek yolak aktivatörü olması nedeniyle, intrensek yolak kanserde önemli olabilir. Bu faktörler DNA hasarı ve büyüme faktörü yoksunluğunun yanı sıra kemo- ve immünoterapötik ajanlarla tedaviyi içerir. İntrensek yolak, BCL-2 ailesi adı verilen ilgili bir protein grubu tarafından sıkı bir şekilde düzenlenir.
Apoptozun regülasyonundaki rolüyle tutarlı olarak, pek çok kanser BCL-2 ailesi üyelerinin regülasyonunun bozulması yoluyla apoptotik yolağa direnç gösterebilir. Kanser hücrelerinin bunu 2 temel mekanizma yoluyla gerçekleştirdiği düşünülmektedir: pro-apoptotik proteinlerin azalması ya da BCL-2 ekspresyonunda artış.19
Ancak kanser hücreleri, BCL-2 yolağının başlamasına yol açan stres sinyallerinin azalması ya da bunun aksine aşağı akış yönündeki efektör moleküllerin azalması yoluyla daha üst düzeyde de apoptozdan kaçabilir. Örneğin normal durumda hücresel stresle pro-apoptotik proteinlerin ekspresyonundaki artışı birbirine bağlayabilen p53’ün mutasyona uğraması hücrelerin DNA hasarına karşı duyarlılığının azalmasına yol açar;20 kaspaz-3’ün azalması bazı tümör tiplerinde apoptotik dirençle bağlantılı bulunmuştur.21,22
Otofaji ve nekroz gibi başka hücre ölümü ya da hücre ölümüne benzer yolaklar mevcuttur ve kanser hücresi sağkalımı yoluyla regülasyonları bozulabilir; ancak şu anda bunların spesifik rolleri tam olarak anlaşılmamıştır.18
Şekil 8. Hücre ölümünden kaçış
Devam eden proliferatif sinyal iletimi
Normal hücrelerde büyüme sinyali iletimi, proliferatif sinyallerin gerekli olan her durumda aktive edildiği ve artık gerekli olmadığında deaktive edildiği son derece iyi düzenlenmiş bir prosestir; bu katı düzenleme hücre homeostazını sağlar. Ancak kanser hücrelerinde bu düzenleme zayıflar.1
Kanser hücrelerinin temel niteliklerinden biri kontrollü sinyal girdisine gerek duymadan prolifere olabilmeleridir. Söz konusu hücreler bunu çeşitli yollarla gerçekleştirir:1
- Büyüme faktörü üretiminin artması
- Mikroçevredeki normal hücrelerin, kanser hücrelerine büyüme faktörleri sağlamak için stimüle edilmesi
- Hücre yüzeyindeki reseptör sayısının artması
- Kanser hücresinin sinyal iletimini kolaylaştırmak üzere reseptörlerin yapısal olarak değişmesi
- Aşağı yönlü sinyal iletim yolağındaki proteinlerin aktivasyonu
Yakın tarihli araştırmaların bulguları da, kanser hücrelerinin, mitojenik sinyalde hiperaktivasyonun söz konusu olduğu her durumda, bir sinyal iletim yolağını etkisizleştirecek güvenlik mekanizması oluşturan negatif geri bildirim döngülerini bozabildiğini vurgulamaktadır. Bunun önemli bir örneği Ras onkoproteinidir.1
- Ras proteininin onkogenik aktivitesi aşırı aktif Ras sinyal iletiminin değil, daha çok onkogenik GTPaz aracılığıyla çalışan normal negatif geri bildirim mekanizmalarındaki bozukluğun sonucudur
- Bu prosesin diğer örnekleri, fosfatidilinositol 3-kinaz (PI3K) sinyal iletimini güçlendiren fosfataz ve tensil homoloğundaki (PTEN) fonksiyon kaybı mutasyonlarını içerir
Şekil 9. Devam eden proliferatif sinyal iletimi23
Tümör hücreleri onkogenik Ras sinyal iletim yolağındaki negatif geri bildirim döngülerini bozar ve bu da, tümör hücrelerinde devam eden proliferatif sinyal iletimine yol açar.23
Tümörü destekleyen inflamasyon
Doğal ve adaptif immün sistem hücreleri sıklıkla tümör mikroçevresine infiltre olur ve bu da, tümörlerin normal dokularda görülen inflamatuvar koşullara benzerlik göstermesini sağlar. Günümüzde mevcut olan moleküler kanser araştırmalarının bulguları, bu tümörle ilişkili inflamasyonun tümör büyümesine yardımcı olabildiğini göstermektedir.1
Yapılan araştırmaların verileri, tümörle ilişkili inflamasyonun tümör mikroçevresine aşağıdakileri sağlayarak tümör büyümesine yardımcı olabildiğini de göstermektedir:1
- Büyüme faktörleri
- Sağkalım faktörleri
- Pro-anjiyogenik faktörler
- Anjiyogenez, invazyon ve metastazı teşvik eden ekstrasellüler matriks (ECM) değiştirici enzimler
- Epitelyal-mezenkimal geçiş (EMT) ve ayırıcı özelliği kolaylaştıran diğer mekanizmaları aktive eden indükleyici sinyaller
Buna ek olarak inflamasyon sıklıkla neoplastik hastalığın erken evrelerinde görülür. Erken inflamasyonda tümör mikroçevresine kimyasallar salınabilir ve bu inflamasyon tümör oluşumunu sağlayan ve hızlandıran genetik mutasyonlara yol açabilir.1
Şekil 10. Tümörü destekleyen inflamasyon24
Tümörle ilişkili inflamasyon, tümör mikroçevresine büyüme faktörleri, sağkalım faktörleri ve anjiyogenezi teşvik eden faktörler sağlayarak tümör büyümesini destekleyebilir.24